马克西姆·库洛博士论文答辩——面向神经形态计算的基于GeTe的铁电肖特基二极管忆阻开关研究

PhD Defense by Maxime CULOT – Memristive switching in GeTe-based ferroelectric Schottky diodes for neuromorphic computing

Spintec News by Alain Marty 2026-01-06 12:39 Original
摘要
法国SPINTEC实验室研究员Maxime CULOT将于1月21日进行博士论文答辩,主题为基于锗碲(GeTe)的铁电肖特基二极管忆阻器在神经形态计算中的应用研究。该研究针对大语言模型算力需求激增带来的能耗挑战,探索了新型铁电忆阻器在实现高能效、紧凑型内存计算方面的潜力,并特别验证了GeTe/Mg结构器件的电阻开关特性及其在交叉阵列中抑制漏电路径的优势。这项工作为人工智能硬件和布尔逻辑应用提供了有前景的解决方案。

大型语言模型(LLM)的计算需求每两个月翻一番,这种指数级增长对能源生产、数据中心散热以及人工智能(AI)设备的便携性提出了严峻挑战。为提升AI工作负载的能效,业界已开发出GPU、TPU等新型并行计算架构。同时,基于新兴非易失性存储器的存内计算方法被提出,以进一步减少AI计算所需的面积和能耗。其中,忆阻器交叉阵列有望以极高的紧凑性和低能耗实现矩阵向量乘法——这一运算是大多数AI算法的核心。

忆阻器作为一种具有可变电阻的双端电路元件,可通过相变、导电细丝形成与断裂、磁或铁电开关等多种物理现象实现。本论文聚焦铁电忆阻器,因其具备高耐久性以及高/低阻态间高电阻比的潜力。尽管大多数铁电材料难以与半导体工业制程集成,但GeTe铁电相的大规模、后端制程(BEOL)兼容生长已被证实。本研究旨在论证基于GeTe的忆阻器在神经形态计算中的应用潜力。

首先,研究采用磁控溅射GeTe制备器件,利用GeTe/金属界面实现铁电肖特基二极管(FSD)。实验发现,GeTe与Ti、Pt或Pd接触未观察到电阻开关效应,但与Mg接触时,原始状态呈现高电阻并观察到电阻开关现象。作为p型简并半导体,GeTe与低功函数金属(如Mg)接触时预期会形成势垒。实际上,GeTe/Mg器件表现出多种电阻开关现象,且这些现象与系统中氧的存在密切相关。虽然部分现象的起源与GeTe/金属界面有关,但铁电极化在观测到的电阻开关中的作用既无法确认也无法否定。

忆阻器在交叉阵列中的集成度很高,但这种结构本质上是并行的,施加在单个器件上的电压差会同时作用于所有并联路径。若无特定方案抑制潜行路径,在写入步骤中未选中的忆阻器状态很可能被意外改变。研究通过SPICE仿真评估了铁电忆阻器在抑制交叉阵列潜行路径方面的优势。

此外,忆阻器交叉阵列在神经形态计算之外还有其它应用。忆阻器已被证明能以比传统CMOS逻辑更紧凑的方式实现布尔逻辑,但其通常存在较高的周期间和器件间差异,难以满足布尔逻辑对精确性的要求。本研究量化了忆阻器变异性对其布尔逻辑门正常运行的影响。定性而言,正如预期,具有更高开关比的忆阻器所构成的逻辑门对电阻状态或开关电压变化的敏感性更低。

尽管在简并半导体GeTe中控制铁电极化面临挑战,但基于铁电的忆阻器(如FSD或铁电隧道结)的实现,不仅对当前热门的AI工作负载,也对布尔逻辑应用展现出巨大潜力。

论文答辩信息

  • 答辩人:Maxime CULOT (SPINTEC)
  • 题目:基于GeTe的铁电肖特基二极管中的忆阻开关行为及其在神经形态计算中的应用
  • 时间:1月21日(周三)14:00
  • 地点:IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445(现场参会需在1月10日前向 admin.spintec@cea.fr 申请进入许可)
  • 线上会议:https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232

答辩委员会

  • 评阅人:Ian O’Connor (里昂中央理工学院), Frédéric Leroy (艾克斯-马赛大学)
  • 考官:Elisa Vianello (CEA Grenoble), Jonathan Miquel (格勒诺布尔INP-UGA)
  • 导师:Jean-Philippe Attane (教授), Louis Hutin
Summary
Maxime Culot of SPINTEC will defend his PhD thesis on January 21st, focusing on GeTe-based ferroelectric memristors for neuromorphic computing to address the soaring energy demands of AI like LLMs. His research demonstrates the potential of these devices for compact, low-power in-memory computing and Boolean logic, despite challenges in controlling ferroelectric polarization in GeTe. The work involves simulations and experimental fabrication, highlighting the material's compatibility with semiconductor industry processes.

PhD Defense: Investigating GeTe-Based Ferroelectric Memristors for Next-Generation AI Hardware

Maxime Culot of SPINTEC will defend his PhD thesis, "Memristive switching in GeTe-based ferroelectric Schottky diodes for neuromorphic computing," on January 21st at 14:00. The defense will be held at the IRIG/SPINTEC auditorium (CEA Grenoble, Building 10.05) and accessible via video conference.

Context: The AI Compute Bottleneck

The research addresses a critical challenge in artificial intelligence: the computing demands of large language models (LLMs) are doubling every two months, straining energy infrastructure, data center cooling, and device portability. While GPUs and TPUs have improved energy efficiency, the thesis explores in-memory computing using emerging non-volatile memories to further reduce the area and power consumption of AI workloads. The memristor crossbar array is a key candidate, offering a compact, low-energy platform for performing matrix-vector multiplication—the core operation in most AI algorithms.

Focus on Ferroelectric GeTe Memristors

Culot's work specifically investigates ferroelectric memristors, which promise high endurance and a strong resistance ratio between states. Germanium Telluride (GeTe) is the material of focus because, unlike many ferroelectrics, its ferroelectric phase can be grown at scale using processes compatible with semiconductor industry back-end-of-line (BEOL) integration.

Experimental Findings and Challenges

The thesis fabricates devices using magnetron-sputtered GeTe to create ferroelectric Schottky diodes (FSDs). Key experimental results include:

* No resistive switching was observed for interfaces with titanium (Ti), platinum (Pt), or palladium (Pd).

* A high pristine resistance and clear resistive switching phenomenon were achieved with a magnesium (Mg) contact. This aligns with theory, as p-type GeTe is expected to form a barrier with low-work-function metals like Mg.

* The observed switching in GeTe/Mg devices depends strongly on the presence of oxygen in the system. While some effects are linked to the metal interface, the thesis could neither confirm nor deny the direct role of ferroelectric polarization in the switching mechanism, highlighting a challenge in controlling polarization within the degenerate semiconductor.

Broader Applications and Simulations

The research extends beyond device fabrication to system-level considerations:

* Sneak Path Mitigation: The inherently parallel structure of crossbar arrays risks altering the state of unselected memristors during write operations. The thesis uses SPICE simulations to model the benefits ferroelectric memristors could provide in suppressing these unwanted "sneak" current paths.

* Boolean Logic Applications: Memristors can implement Boolean logic more compactly than traditional CMOS but are typically hampered by high cycle-to-cycle and device-to-device variability. Culot quantifies the impact of this variability, finding qualitatively that a higher on/off resistance ratio makes logic gates more robust against variations in resistance state or switching voltage.

Conclusion and Jury

Despite the challenges in controlling ferroelectric polarization in GeTe, the thesis concludes that GeTe-based ferroelectric memristors (like FSDs or ferroelectric tunnel junctions) remain highly promising for energy-efficient AI hardware and compact Boolean logic applications.

The defense jury comprises:

* Rapporteurs: Ian O’Connor (École Centrale de Lyon) and Frédéric Leroy (Aix-Marseille Université).

* Examiners: Elisa Vianello (CEA Grenoble) and Jonathan Miquel (Grenoble INP-UGA).

* Thesis Supervisors: Jean-Philippe Attané (Professor) and Louis Hutin.

Résumé
Maxime Culot (SPINTEC) soutiendra sa thèse de doctorat sur les memristors ferroélectriques à base de GeTe pour le calcul neuromorphique, visant à répondre aux défis énergétiques et de performance posés par l'IA. Ses travaux explorent le potentiel de ces composants pour des architectures de calcul en mémoire plus compactes et économes, tout en évaluant leur applicabilité pour la logique booléenne malgré des défis de variabilité. La soutenance se tiendra le 21 janvier au CEA Grenoble et en visioconférence.

On Wednesday January 21th, at 14:00, Maxime CULOT (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled :

Memristive switching in GeTe-based ferroelectric Schottky diodes for neuromorphic computing

Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (presential access to the conference room at CEA in Grenoble requires an entry authorization, request it before January 10th to admin.spintec@cea.fr)

video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/3241920232

Abstract : The computing requirements of large language models (LLMs) is doubling every 2 months. This exponential growth raises challenges in energy production, heat dissipation in data centres and portability of artificial intelligence (AI) devices. The development of new inherently parallel computing architectures such as graphics (GPUs) and tensor (TPUs) processing units to perform AI computations have allowed the increase of the energy efficiency of AI workloads. New in memory computing approaches based on emerging non-volatile memories have been proposed to further reduce the area requirements and energy consumption linked with the computation of AI workloads. Among them, the memristor crossbar array holds the promise of a very high compactness and low energy implementation of matrix vector multiplication, the operation at the heart of most AI algorithms. The memristor concept, a two-terminal circuit element with a variable resistance, can be implemented with different phenomena: phase change, conductive filament formation and breaking, magnetic or ferroelectric switching, etc. This thesis focuses on ferroelectric memristors because of their potential for high endurance and high resistance ratio between their high and low resistance states. While most ferroelectric materials are tricky to integrate with the processes of the semiconductor industry, the large-scale, back-end-of-line (BEOL) compatible growth of the ferroelectric phase of GeTe has been demonstrated. This thesis aims to demonstrate the potential of GeTe based memristors for neu- romorphic computing. First, magnetron-sputtered GeTe is used to fabricate devices exploiting the GeTe/metal interface for the realisation of ferroelectric Schottky diodes (FSDs). No resistive switching was observed for the GeTe/Ti, GeTe/Pt or GeTe/Pd contact, but a high resistance in the pristine state and a resistive switching phenomenon was observed for the GeTe/Mg contact. Despite its specificities as a degenerate semi- conductor and its strong Fermi level pinning, being p-type, the formation of a barrier with GeTe is expected for metals with a low work function, like Mg. Actually, GeTe/Mg devices present several resistive switching phenomena which are shown to strongly depend on the presence of oxygen in the system. While the origin of some of those phenomena is linked with the GeTe/metal interface, the role of ferroelectric polarisation in the observed resistive switching can be neither confirmed nor denied. The integration of memristors in crossbar arrays is very compact. However, this structure is inherently parallel, and the application of a voltage difference across a device results in the application of this voltage on all parallel paths. Without a specific scheme to suppress the unwanted current paths, there is a high risk of changing the state of unselected memristors during the writing step. The benefits that ferroelectric memristors bring for the suppression of sneak paths in memristor crossbar arrays are considered and simulated with SPICE simulations. Finally, memristor crossbar arrays have other applications besides neuromorphic computing. Memristors have been shown to realise Boolean logic in a more compact way than traditional CMOS logic. However, they usually suffer from cycle-to-cycle and device- to-device variations that are too high for the exactness requirements of Boolean logic. The impact of variability of the memristor on the good operation of memristive Boolean logic gates is quantified. Qualitatively, as expected, a higher on/off ratio memristor results in a logic gate that is less susceptible to memristor resistance state or switching voltage variations. Despite the challenges associated with the control of the ferroelectric polarisation in the degenerate semiconductor GeTe, the realisation of ferroelectric based memristors like FSDs or ferroelectric tunnel junctions is very promising for AI workloads, a very hot topic, but also for Boolean applications.

titre : Comportement memristif de diodes Schottky ferroélectriques à base de GeTe pour le calcul neuromorphique

Résumé : Les besoins de calculs des grands modèles de langage (LLM) doublent tous les deux mois. Cette croissance exponentielle pose des défis en matière de production d’énergie, de dissipation thermique dans les data centres etde portabilité des appareils d’intelligence artificielle (IA). Le développement de nouvelles architectures de calcul intrinsèquement parallèles, telles que les GPUs et les TPUs, a permis d’augmenter l’efficacité énergétique deces applications. De nouvelles approches de calcul en mémoire basées sur des mémoires non volatiles émergentes ont été proposées afin de réduire davantage les besoins en surface et la consommation d’énergie liés auxcalculs d’IA. Parmi celles-ci, la matrice de memristor promet une mise en oeuvre compacte et à faible consommation d’énergie de la multiplication matrice vecteur, au centre de la plupart des algorithmes d’IA. Le concept dememristor, un élément de circuit à deux bornes avec une résistance variable, peut être mis en oeuvre à l’aide de différents phénomènes : changement de phase, formation et rupture de filaments conducteurs, commutationmagnétique ou ferroélectrique, etc. Cette thèse se concentre sur les memristors ferroélectriques en raison de leur potentiels haute endurance et rapport de résistance élevé entre leurs états de résistance élevée et faible.Alors que la plupart des matériaux ferroélectriques sont difficiles à intégrer dans les processus de l’industrie des semi-conducteurs, la croissance à grande échelle et compatible avec le back-end-of-line (BEOL) de la phaseferroélectrique du GeTe a été démontrée. Cette thèse vise à démontrer le potentiel des memristors à base de GeTe pour le calcul neuromorphique. Du GeTe déposé par pulvérisation cathodique magnétron est utilisé pourfabriquer des dispositifs exploitant l’interface GeTe/métal pour la réalisation de diodes Schottky ferroélectriques (FSD). Aucun changement de résistance n’a été observé pour les contacts GeTe/Ti, GeTe/Pt ou GeTe/Pd, maisune résistance élevée à l’état vierge et un phénomène de commutation résistive ont été observés pour le contact GeTe/Mg. Étant de type p, la formation d’une barrière avec le GeTe est attendue pour les métaux à faibletravail de sortie, comme Mg. Si l’origine de certains de ces phénomènes est liée à l’interface GeTe/métal, elle dépend fortement de la présence d’oxygène dans le système et le rôle de la polarisation ferroélectrique ne peutêtre ni confirmé ni infirmé. L’intégration des memristors dans les matrices crossbar est très compacte. Cependant, cette structure est intrinsèquement parallèle, et l’application d’une différence de potentiel aux bornes d’undispositif entraîne l’application de cette tension sur tous les chemins parallèles. Sans une stratégie pour supprimer les chemins parasites, une modification de l’état des memristors non sélectionnés pendant l’étape d’écritureest possible. Les avantages des memristors ferroélectriques pour la suppression des chemins parasites dans les matrices crossbar de memristors sont examinés et simulés à l’aide de simulations SPICE. Enfin, les matrices dememristors ont d’autres applications que l’IA et permettent aussi de réaliser la logique booléenne de manière plus compacte que les circuits CMOS traditionnels. Cependant, les variations d’un cycle à l’autre et d’un dispositifà l’autre sont souvent trop importantes pour répondre aux exigences de précision de la logique booléenne. L’impact de la variabilité du memristor sur le la logique booléenne memristive est quantifié. Qualitativement, unmemristor avec un rapport ON/OFF plus élevé est moins sensible aux variations de l’état de résistance du memristor ou de la tension de commutation. Malgré les défis liés au contrôle de la polarisation ferroélectrique dans lesemi-conducteur dégénéré GeTe, la réalisation de memristors ferroélectriques tels que les FSDs ou les jonctions tunnel ferroélectriques est très prometteuse pour les calculs d’IA, mais aussi pour les applications booléennes.

Jury :

Ian O’Connor, Ecole Centrale De Lyon, Rapporteur

Frédéric Leroy, Aix-Marseille Universite, Rapporteur

Elisa Vianello, Cea Grenoble, Examinatrice

Jonathan Miquel, Grenoble Inp-Uga, Examinateur

Thesis Supervisors :

Jean-Philippe Attane, Professeur

Louis Hutin

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AI Insight
Core Point

A PhD thesis demonstrated a germanium telluride (GeTe)-based ferroelectric memristor for neuromorphic computing, addressing the critical need for energy-efficient AI hardware as computational demands skyrocket.

Key Players

SPINTEC — A joint research unit (CEA, CNRS, Univ. Grenoble Alpes) focused on spintronics and nanoelectronics, based in Grenoble, France.

Industry Impact
  • Computing/AI: High — Research directly targets new, low-energy in-memory computing hardware for AI workloads.
  • Semiconductors: Medium — Focus on BEOL-compatible ferroelectric materials for advanced chip integration.
Tracking

Monitor — This is foundational academic research with promising device results, but commercial viability for AI hardware requires further development and scale-up.

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