The Opportunity of Negative Capacitance Behavior in Flash Memory for High‐Density and Energy‐Efficient In‐Memory Computing Applications

闪存 材料科学 电容 光电子学 电介质 非易失性存储器 计算机科学 计算机硬件 物理 电极 量子力学
作者
Taeho Kim,Giuk Kim,Young Kyu Lee,Dong Han Ko,Junghyeon Hwang,Sang-Ho Lee,Hunbeom Shin,Yeongseok Jeong,Seong‐Ook Jung,Sanghun Jeon
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (7) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/adfm.202208525
摘要

Abstract Flash memory is a promising candidate for use in in‐memory computing (IMC) owing to its multistate operations, high on/off ratio, non‐volatility, and the maturity of device technologies. However, its high operation voltage, slow operation speed, and string array structure severely degrade the energy efficiency of IMC. To address these challenges, a novel negative capacitance‐flash (NC‐flash) memory‐based IMC architecture is proposed. To stabilize and utilize the negative capacitance (NC) effect, a HfO 2 ‐based reversible single‐domain ferroelectric (RSFE) layer is developed by coupling the flexoelectric and surface effects, which generates a large internal field and surface polarization pinning. Furthermore, NC‐flash memory is demonstrated for the first time by introducing a RSFE and dielectric heterostructure layer in which the NC effect is stabilized as a blocking layer. Consequently, an energy‐efficient and high‐throughput IMC is successfully demonstrated using an AND flash‐like cell arrangement and source‐follower/charge‐sharing vector‐matrix multiplication operation on a high‐performance NC‐flash memory.

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