延世大學&成均館大學Adv. Sci.綜述:多值邏輯研究的最新進展

【引言】

眾所周知，在計算和存儲物理上分開的傳統馮·諾依曼（Von Neumann）體系結構，是當前最先進的信息處理技術的基本要素。該計算系統器件遵循摩爾定律，該定律表明器件的數量和集成度歷史上每兩年翻一番。但是，盡管在涉及處理大量數據（例如機器學習，人工智能和物聯網）的應用中對器件性能提出了很高的要求，但是在小器件尺寸上仍然存在物理限制。為了克服這些局限性，許多研究都是集中到區域高效和節能體系結構上。盡管一些策略暫時恢復了摩爾定律，但下一代計算系統正在進入超摩爾定律的新時代。迄今為止，根據國際半導體技術路線圖（ITRS）的預測，半導體技術一直在發展，但現在正處于飽和或取得突破的十字路口，以在未來10年中進一步發展。因此，研究人員正在尋找傳統的馮·諾依曼體系結構的替代方案，使用多值邏輯（MVL）系統來增加每個給定器件的信息表達量。由于材料和多組件器件設計的最新發展，越來越多的研究已經能夠證明了構建三元邏輯門或甚至更高值邏輯門的可行性。盡管人們對MVL門越來越感興趣，并獲得了令人鼓舞的結果，但很少有研究討論了可用于實現這些器件的材料的實際標準。因此，有必要對MVL門的進展進行全面的概述，并從材料的角度為未來的研究前景提供具體的指導。

近日，韓國延世大學Jeong Ho Cho和成均館大學Joohoon Kang（共同通訊作者）綜述介紹了MVL器件的當前研究現狀，并對它們進行系統地分類，以闡明主要的研究趨勢及其前景。首先介紹了三值邏輯門的簡化設計標準，根據其工作原理對電路級和器件級方法進行分類。然后，提出了具有代表性的器件級方法，如使用量子點（QD）門控晶體管，反雙極性晶體管（AATs），負跨導（NTC）晶體管和負差分電阻（NDR）器件。提供每種方法中組件器件的品質因數（FOMs），并檢查了材料朝著優化或實現FOMs的演變。特別是，本文總結了低維材料（如量子點，納米線和原子薄層材料（例如，石墨烯，黑磷（BP），過渡金屬硫化物（TMDCs）和化學用途廣泛的有機半導體異質結構））在其產生理想器件性能方面的優點和局限性方面的最新進展。此外，本文還介紹了能夠利用各種化學性質，如相變和氧化還原反應的新興材料。相關研究成果以“Recent Advances on Multivalued Logic Gates: A Materials?Perspective”為題發表在Advanced Science上。

【圖文導讀】

圖一、多值邏輯門的基礎

（a）在ITRS 2013，ITRS 2015，IRDS 2017和IRDS 2020中報告了針對高性能邏輯門長度在半導體技術方面的預計進展；

（b）電路復雜度的理論估計；

（c，e）二逆逆變器和STI的典型輸入/輸出特性和品質因數；

（d，f）二值逆變器和STI在輸入電壓波動下的時間響應。

圖二、代表性等效電路研究

（a）STIs的代表性等效電路；

（b-e）各種配置中的逆變器元器件傳輸特性示意圖；

（f）NDR+PMOS配置中器件的負載線分析（頂部）和STI特性（底部）。

圖三、多值邏輯門的新興材料研究

（a，b）Ge₂Sb₂Te₅納米線的TEM圖像，以及其元素和空間分布；

（c）電阻隨寫入電流脈沖而變化；

（d，e）基于金屬納米粒子的MVL器件示意圖，以及包含電荷捕獲的存儲器件的相應能帶圖；

（f）基于納米粒子的器件中的多級存儲行為；

（g）電化學多穩定分子層的示意圖；

（h）多值非易失性開關。

圖四、2D van der Waals異質結

?（a）NDR器件和NTC器件的典型電流-電壓曲線；

（b）各種類型能帶匹配的示意圖；

（c-e）MoS₂/WSe₂異質結器件的結構，能級圖和NDR特性；

（f-h）BP/ReS₂異質結器件的結構，STI和SRAM；

（i，j）并五苯/HfS₂異質結裝置的結構及工作原理；

（k-m）基于α?-6T/PTCDI-C8的AAT電路的STI器件結構，傳輸特性，以及STI運行。

圖五、石墨烯同質結

（a）通過施加電壓在石墨烯中形成的p/n同質結的能級示意圖；

（b，c）值線圖和NDR傳遞特性；

（d-f）摻有薄金屬帶的石墨烯晶體管的器件結構，NTC傳輸特性和STI運行；

（g-i）摻雜R6G有機染料的石墨烯晶體管在光照射下的工作示意圖，器件的NTC傳輸特性，以及STI運行。

圖六、量子點場效應晶體管

（a）三級傳遞曲線示意圖；

（b）SOI襯底上QDGFET的器件幾何形狀；

（c）SiO_x-QD嵌入和GeO_x-QD嵌入結構的TEM圖像；

（d）QDGFETs的多值電容-電壓特性；

（f）QDGFET的多值傳輸特性顯示了常規導通狀態和截止狀態之間的中間狀態；

（g）嵌入ZnO納米晶體的非晶ZnO雜化層的TEM圖像；

（h）具有量子化狀態的混合納米層總態密度示意圖；

（i）具有兩種中間態的器件的傳輸特性。

圖七、其他新興方法

（a）基于BTBT的多值T-CMOS晶體管的器件幾何構型；

（b）施加V_DD從2到0.7 V的情況下，二進制到三進制過渡；

（c）帶有T-CMOS器件陣列的照片；

（d）用于極化子限制的基于III-V半導體的納米腔；

（e）極化子的多重穩定性；

（f）布洛赫球軌跡，表明極化子自旋的多重穩定性。

【小結】

綜上所述，對多值邏輯（MVL）系統的研究進展表明，電子領域正朝著超Moore’s law的新時代轉變。從0D量子點到垂直堆疊的vdW異質結構，各種新材料的出現推動了近年來MVL技術的發展。它們為中間態提供了可控制的易失性和非易失性物理變量，可用于在數學上增加馮·諾依曼和內存計算體系結構的信息密度。在這篇綜述中，回顧了MVL門的研究現狀，并闡明了主要的研究趨勢。同時對具有代表性的MVL門的通用格式的評估，揭示了組件器件為實現理想的寬范圍運行而需要滿足的設計標準。此外，根據每個器件的工作原理，對新興材料進行了分類。總結了每種材料的發展，為將來對MVL門的研究提供了指導。

文獻鏈接：“Recent Advances on Multivalued Logic Gates: A Materials?Perspective”(Advanced Science，2021，10.1002/advs.202004216)

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