Nano Res.[半导体]│国家纳米科学中心刘前课题组:仅需单原子开关的全忆阻器逻辑电路

背景介绍

忆阻器作为非易失性的两端存储器件，同时具有存储和处理数据的能力，基于此的近存、存内运算有效的解决了冯诺依曼计算架构下数据搬运的短板。目前，传统的金属/绝缘体/金属（MIM）忆阻器已经有了成熟的制备流程和稳定的性能并于各个领域逐渐被应用，但作为逻辑器件其能耗、开关速度、器件尺寸、电压损耗等方面仍有不足，存在很大的改进空间。自2018年首次发现单原子层忆阻器起，由于其优异的忆阻特性，很快在射频开关，6G通信等领域出现了许多应用,同时其优势和构建逻辑器件的需求也十分符合。但是由于单原子层忆阻器制备难、一致性较差等问题，需要多个器件协同构建的逻辑门以及神经网络等忆阻器优势领域还未有实现和报道。

成果简介

在这项工作中，作者通过能带结构和电子传输特性从理论上研究了 MoS₂ 原子电阻器的机理，揭示了其单原子迁移的阻变机理，为实验提供了理论支持。基于此，作者对比了机械剥离和化学气相沉积制备的不同单层MoS₂材料的缺陷分布，通过调控沉积的实验参数获得了优选的缺陷浓度，制备了高性能的原子电阻器（开关比 ~10⁵，操作电压 ~1.3 V）。根据忆阻器比例逻辑电路的结构，作者利用制造的MoS₂原子电阻器首次实现了全单原子层忆阻器逻辑门。经测试，制备的逻辑门表现出出色的逻辑计算能力。作者进一步根据实验结果，构建了此逻辑门的SPICE模型，从工程层面上对此逻辑单元在复合逻辑电路中的表现进行了评估。全单原子层忆阻器逻辑门采用了忆阻器经典的cross-bar结构，在字线和位线方向上分别并联了多个逻辑单元，展示出了逻辑信号的并行处理能力。同时，这种结构完全兼容二值神经网络（BNN）的应用，作者通过离线学习的方式对原子忆阻器阵列在BNN的应用进行了演示和评估。实验表明基于比例逻辑电路的单原子层忆阻器阵列在多种逻辑运算的应用场景中都具有很强的适用性和性能。

图文导读

图1 单原子层忆阻器件的原理与性能

作者首先通过CVD生长转移的手段制备了基于MoS2的垂直结构单原子层忆阻器件，其忆阻特性体现出了较高的器件间一致性和忆阻窗口。由于其单原子层介质的特性，在阻态切换过程中仅涉及单个金原子向MoS₂缺陷迁入和迁出的过程，保证了超低的阻态切换时间和功耗，期间的原理和性能如图一所示。

基于此器件，作者根据比例逻辑电路的结构完成了全单原子层忆阻器逻辑门的制备，高达~10⁵的开关比保证了单个逻辑门的压降低于0.001%，而且其单原子的开关特性保证了逻辑电路超低的转变时间（transition time）。之后，基于Yakopcic等人提出的忆阻器模型，作者通过仿真电路模拟软件（SPICE）构建了与制备的氮原子曾忆阻器一致的器件模型，并进而设计了一种基于复合逻辑电路的半加器。经测试，全单原子层忆阻器在复合逻辑电路中的性能稳定优异。cross-bar结构由于物理适配卷积运算，是忆阻器阵列最常用的构架。全单原子层忆阻器逻辑门同样适配cross-bar结构。如果信号从BL(位线)输入，阵列将发挥“与”门的信号处理作用；如果信号从WL(字线)输入，阵列将发挥“或”门的信号处理作用。由于各个逻辑单元并联连接，全单层忆阻器逻辑门阵列可以并行处理多个输入信号。此外，在相同的架构上，作者还是实现了二值神经网络（BNN）的搭建，其对MNIST手写数据集的识别正确率达到了80%以上。多种逻辑功能的实现证明了全单原子层忆阻器逻辑门在多应用场景下的运算能力，其成功实现是突破传统冯·诺依曼体系结构、提升处理和计算能力的重要一步。随着纳米微加工技术和材料制备技术的升级，我们相信全单原子层忆阻器逻辑门的应用和性能将得到进一步的发展。

图2全单原子层忆阻器逻辑门与其在复合逻辑电路和二值神经网络中的应用。

作者简介

刘前研究员介绍：

刘前，日本工学博士，曾在日本北海道大学和日本国立产业技术综合研究所（AIST）学习工作多年，2005年归国后，任国家纳米科学中心研究员，博士生导师，科技管理部主任。现为国家纳米科学中心二级研究员，中国科学院大学、南开大学教授和苏州纳米所客座研究员，是澳大利亚科学研究委员会（ARC）海外评审专家，《现代物理》的主编，近10个英文和中文杂志的编委，中科院纳米器件重点实验室、哈工大环境与生态纳米技术联合研究中心学术委员会委员，2013年度材料领域中国科学人年度人物称号，2014年爱思唯尔中国高被引学者。作为首席科学家或课题负责人已承担完成国家973、863、基金委重大研究计划、科技部重大研究计划、中科院重点方向性、科技部国际合作、欧盟等科研项目，已在Adv Mater、Nano Letters、JACS等刊物发表论文160余篇，撰写英文专著一部（Novel Optical Technologies for Nanofabrication, Springer出版）和英文章节多篇，译著一部，获授权和申请中的美、日以及中国发明专利30余项。

代表论著：

1.Yujia Liang , Yong Xie, Dongxue Chen, Chuanfei Guo, Shuai Hou, Tao Wen, Fengyou Yang,Ke Deng*, Xiaochun Wu*, Ivan I. Smalyukh* & Qian Liu*, Symmetry control of nanorod superlattice driven by a governing force. Nature Communications 8, 1474 (2017)

2.Kai Xu, Dongxue Chen, Fengyou Yang, Zhenxing Wang, Lei Yin, Feng Wang,Ruiqing Cheng, Kaihui Liu, Jie Xiong* Qian Liu*, and Jun He*, Sub-10 nm Nanopattern Architecture for 2D Material Field-Effect Transistors. Nano Letters 17, 1065-10705 (2017).

3.Haoran Zhang, Fengyou Yang, Jianjie Dong, Lena Du, Chuang Wang, Jianming Zhang, Chuan Fei Guo* & Qian Liu*，Kaleidoscopic imaging patterns of complex structures fabricated by laser-induced deformation. Nature Communications 7, 13743 (2016)

4.Shengxue Yang, Cong Wang, Hasan Sahin, Hui Chen, Yan Li, Shu-Shen Li, Aslihan Suslu, Francois M. Peeters, Qian Liu,* Jingbo Li,* ,and Sefaattin Tongay* ,Tuning the Optical, Magnetic, and Electrical Properties of ReSe2 by Nanoscale Strain Engineering. Nano Lett. 15, 1660-1665(2015).

5.Chuan Fei Guo, Vishal Nayyar, Zhuwei Zhang, Yan Chen, Junjie Miao, Rui Huang, Qian Liu, Path-guided wrinkling of nanoscale metal films, Adv. Mater. 24, 3010–3014 (2012).

专著Qian Liu, Xuanming Duan, Changsi Peng, "Novel Optical Technologies for Nanofabrication", by Springer(2014)

文章信息

S. Wang, Z. Zhou, F. Yang, et al. All-atomristor logic gates. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-5042-7.

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