Une équipe de recherche sud-coréenne révèle le mécanisme de dégradation de la fiabilité des semi-conducteurs ferroélectriques IA induite par l'irradiation neutronique

L'Université nationale de Jeonbuk a annoncé le 20 que l'équipe du professeur Bae Hak-yeol du département de génie électronique de son école d'ingénierie, en collaboration avec l'équipe du professeur Kim Tae-wan de l'Université nationale de Séoul et la startup Q-Beam Solution, filiale de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie atomique, a mené une étude analysant les causes de la dégradation des performances des mémoires ferroélectriques de nouvelle génération et des dispositifs semi-conducteurs neuromorphiques sous irradiation neutronique. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro d'ACS Applied Electronic Materials.

Les semi-conducteurs ferroélectriques, capables de maintenir leur état de polarisation même après une coupure de courant, sont considérés comme des candidats importants pour les mémoires non volatiles et les dispositifs de calcul neuromorphique de nouvelle génération. Le calcul neuromorphique tente de réaliser simultanément le stockage et le calcul au sein d'un seul dispositif, en simulant le mode de fonctionnement des synapses du cerveau humain, et est considéré comme une solution potentielle pour atténuer le “goulot d'étranglement de von Neumann” des architectures informatiques traditionnelles.

L'équipe de recherche s'est cette fois concentrée sur l'examen des changements subis par les transistors synaptiques à semi-conducteur ferroélectrique bidimensionnel après irradiation neutronique. Les expériences montrent que l'irradiation neutronique provoque non seulement une diminution du courant, mais affaiblit également le transport de charges par le biais d'états de pièges liés aux défauts, et augmente l'incertitude des poids synaptiques. L'analyse par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie a révélé une modification du rapport de composition entre le sélénium et l'indium dans le film mince après irradiation ; l'analyse électrique a quant à elle montré une augmentation de la densité des défauts de pièges à électrons, affectant ainsi le processus de transport de charges régulé par la polarisation ferroélectrique.

Plus précisément, après irradiation neutronique, le courant de drain du dispositif a diminué d'environ 88,95 %, et le rapport entre la fenêtre de mémoire, reflétant les caractéristiques de stockage, et la plage de balayage a diminué d'environ 48,20 %. Cependant, les caractéristiques de commutation de polarisation ferroélectrique du dispositif ont été maintenues. L'équipe de recherche en conclut que la dégradation des performances ne provient pas d'une perte complète de polarisation, mais est étroitement liée à la capture et à la réduction du transport de charges causées par les états de pièges associés aux défauts induits par l'irradiation neutronique.

L'étude a également révélé que ce type de dégradation affecte davantage le fonctionnement synaptique neuromorphique. Après irradiation neutronique, la non-linéarité de la mise à jour des poids synaptiques s'accroît et la plage dynamique se réduit, entraînant une diminution de la précision d'inférence des réseaux neuronaux artificiels. Cela indique que les défauts d'irradiation n'affectent pas seulement les performances électriques des dispositifs semi-conducteurs individuels, mais peuvent également affecter la fiabilité du calcul en intelligence artificielle au niveau système.

Bae Hak-yeol a déclaré que, pour garantir le fonctionnement stable des semi-conducteurs d'intelligence artificielle de nouvelle génération dans des environnements extrêmes tels que l'espace, il est nécessaire, outre l'amélioration des performances des dispositifs, de comprendre systématiquement l'impact des défauts semi-conducteurs induits par l'irradiation. Cette étude, en clarifiant les voies de dégradation par irradiation neutronique des mémoires et dispositifs neuromorphiques à semi-conducteur ferroélectrique bidimensionnel, fournit une base physique essentielle pour la conception de dispositifs semi-conducteurs et l'évaluation de leur fiabilité en environnement radiatif.