寧波材料所在新型光電信息存儲(chǔ)與處理技術(shù)研究方面取得進(jìn)展
存儲(chǔ)器是信息記錄的載體，在國(guó)民生產(chǎn)生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是集成電路最重要的組成部分之一。當(dāng)前，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的發(fā)展遇到技術(shù)瓶頸并面臨一些新的挑戰(zhàn)，比如：當(dāng)器件尺寸縮小至10nm以下時(shí)，漏電、發(fā)熱、功耗以及工藝難度等問(wèn)題將嚴(yán)重影響存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性和可靠性，必須發(fā)展新的器件結(jié)構(gòu)來(lái)持續(xù)提高存儲(chǔ)容量。另一方面，大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性處理需要功能集成的信息器件，來(lái)解決由于存儲(chǔ)與處理分離的工作方式所造成的延遲和能耗問(wèn)題。因此，必須通過(guò)引入新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理，發(fā)展新型多功能存儲(chǔ)器，以突破摩爾定律極限和馮諾依曼瓶頸對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的限制。
阻變存儲(chǔ)器是一種新興的信息技術(shù)，通過(guò)電場(chǎng)控制電極/介質(zhì)/電極三明治結(jié)構(gòu)的電阻發(fā)生非易失性可逆轉(zhuǎn)變，即可實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。阻變存儲(chǔ)器不僅具有操作速度快、功耗低、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，其簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)和廣泛的材料選擇范圍也為高密度和多功能集成提供了可能，是下一代存儲(chǔ)器的重要候選之一。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中科院寧波材料所）李潤(rùn)偉研究員團(tuán)隊(duì)圍繞新型阻變信息存儲(chǔ)器開(kāi)展了一系列前瞻性研究，具體包括在阻變器件中發(fā)現(xiàn)室溫量子電導(dǎo)現(xiàn)象，在原子尺度揭示了阻變的微觀機(jī)制（Adv. Mater. 2012, 24, 3941）；在CoFe2O4磁性薄膜中利用電場(chǎng)調(diào)控離子遷移實(shí)現(xiàn)磁疇可逆翻轉(zhuǎn)，為非易失磁存儲(chǔ)器提供一種新思路（ACS Nano 2015, 9, 4210）；在五氧化二釩薄膜中通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)氧離子輸運(yùn)構(gòu)建納米尺度的二氧化釩通道，利用納米尺度下二氧化釩的相變獲得可靠地開(kāi)關(guān)特性，并結(jié)合氧化鉿構(gòu)建1S1R結(jié)構(gòu)，有效解決了阻變存儲(chǔ)器交叉陣列中的串?dāng)_問(wèn)題（Adv. Mater. 2017, 29, 1702162）。該系列研究為澄清阻變機(jī)理、探索高性能阻變材料、發(fā)展新型信息存儲(chǔ)機(jī)制以及解決阻變存儲(chǔ)器大規(guī)模集成過(guò)程中遇到的問(wèn)題提供了新的思路與方法。
另一方面，光互連芯片技術(shù)利用光子傳輸信息，可克服電子在傳輸過(guò)程中的焦耳熱和頻率極限等問(wèn)題，已成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能電子計(jì)算技術(shù)的主要途徑之一。最近，針對(duì)光電多功能信息處理與存儲(chǔ)技術(shù)，該研究團(tuán)隊(duì)的檀洪偉博士和劉鋼研究員提出了在電場(chǎng)調(diào)控的基礎(chǔ)上引入光照等多種物理場(chǎng)進(jìn)一步調(diào)控器件特性，從而在單一器件中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)-運(yùn)算功能融合的思路。選用光敏半導(dǎo)體氧化鈰（CeO2-x）作為介質(zhì)構(gòu)建阻變器件，發(fā)現(xiàn)利用光照和電場(chǎng)的協(xié)同作用能夠?qū)饘?span lang="EN-US" style="line-height: 200%">/絕緣體/氧化物半導(dǎo)體（MIS結(jié)構(gòu)）界面的電荷俘獲狀態(tài)以及器件能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，從而呈現(xiàn)電場(chǎng)可擦除的持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)。利用器件對(duì)于光照次數(shù)、頻率和強(qiáng)度靈敏度高的特點(diǎn)，他們?cè)趩我黄骷袑?shí)現(xiàn)了光信息解碼、計(jì)數(shù)與存儲(chǔ)功能的集成（Adv. Mater. 2015, 27, 2797）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了光調(diào)控MIS結(jié)界面的電致阻變行為并獲得了光控的憶阻器。在該器件中，利用光和電脈沖作為輸入信號(hào)、電流作為輸出信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)非易失的“與”和“或”邏輯門(mén)的相互轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步地，通過(guò)引入擦除電壓作為“非”門(mén)，在單個(gè)光控憶阻器中實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的非易失邏輯操作，從而可將其定義為“Memlogic”，即非易失性可重構(gòu)及可原位存儲(chǔ)的邏輯門(mén)。由于光控憶阻器具有對(duì)輸入光強(qiáng)度和脈沖個(gè)數(shù)的線性響應(yīng)特性，所以利用兩束光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的數(shù)字操作，如光信號(hào)加法和數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。在此基礎(chǔ)上，利用器件在不同電阻狀態(tài)下的光響應(yīng)特性，該團(tuán)隊(duì)從原理上展示了光控憶阻器陣列的非易失可重構(gòu)圖片處理功能，即：當(dāng)所有光控憶阻器處于高電阻狀態(tài)時(shí)，該陣列可以實(shí)現(xiàn)尋找不同圖片的重復(fù)部分（交集）的功能（Same Finder），當(dāng)所有光控憶阻器處于低電阻狀態(tài)時(shí)，該陣列可以實(shí)現(xiàn)尋找不同圖片中的所有部分（并集）的功能（All Finder），同時(shí)處理結(jié)果也原位存儲(chǔ)于該陣列中。這種基于光場(chǎng)調(diào)控阻變效應(yīng)的多功能器件為實(shí)現(xiàn)光電信息網(wǎng)絡(luò)中高效、可重構(gòu)的信息處理與存儲(chǔ)提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。相關(guān)結(jié)果已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)：201510114334.6（已授權(quán)）和201610039778.2，論文近期發(fā)表在ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.7b05762）。文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05762
以上工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、浙江省杰出青年科學(xué)基金以及寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目資助。
