延世大学&成均馆大学Adv. Sci.综述:多值逻辑研究的最新进展

【引言】

众所周知，在计算和存储物理上分开的传统冯·诺依曼（Von Neumann）体系结构，是当前最先进的信息处理技术的基本要素。该计算系统器件遵循摩尔定律，该定律表明器件的数量和集成度历史上每两年翻一番。但是，尽管在涉及处理大量数据（例如机器学习，人工智能和物联网）的应用中对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。为了克服这些局限性，许多研究都是集中到区域高效和节能体系结构上。尽管一些策略暂时恢复了摩尔定律，但下一代计算系统正在进入超摩尔定律的新时代。迄今为止，根据国际半导体技术路线图（ITRS）的预测，半导体技术一直在发展，但现在正处于饱和或取得突破的十字路口，以在未来10年中进一步发展。因此，研究人员正在寻找传统的冯·诺依曼体系结构的替代方案，使用多值逻辑（MVL）系统来增加每个给定器件的信息表达量。由于材料和多组件器件设计的最新发展，越来越多的研究已经能够证明了构建三元逻辑门或甚至更高值逻辑门的可行性。尽管人们对MVL门越来越感兴趣，并获得了令人鼓舞的结果，但很少有研究讨论了可用于实现这些器件的材料的实际标准。因此，有必要对MVL门的进展进行全面的概述，并从材料的角度为未来的研究前景提供具体的指导。

近日，韩国延世大学Jeong Ho Cho和成均馆大学Joohoon Kang（共同通讯作者）综述介绍了MVL器件的当前研究现状，并对它们进行系统地分类，以阐明主要的研究趋势及其前景。首先介绍了三值逻辑门的简化设计标准，根据其工作原理对电路级和器件级方法进行分类。然后，提出了具有代表性的器件级方法，如使用量子点（QD）门控晶体管，反双极性晶体管（AATs），负跨导（NTC）晶体管和负差分电阻（NDR）器件。提供每种方法中组件器件的品质因数（FOMs），并检查了材料朝着优化或实现FOMs的演变。特别是，本文总结了低维材料（如量子点，纳米线和原子薄层材料（例如，石墨烯，黑磷（BP），过渡金属硫化物（TMDCs）和化学用途广泛的有机半导体异质结构））在其产生理想器件性能方面的优点和局限性方面的最新进展。此外，本文还介绍了能够利用各种化学性质，如相变和氧化还原反应的新兴材料。相关研究成果以“Recent Advances on Multivalued Logic Gates: A Materials Perspective”为题发表在Advanced Science上。

【图文导读】

图一、多值逻辑门的基础

（a）在ITRS 2013，ITRS 2015，IRDS 2017和IRDS 2020中报告了针对高性能逻辑门长度在半导体技术方面的预计进展；

（b）电路复杂度的理论估计；

（c，e）二逆逆变器和STI的典型输入/输出特性和品质因数；

（d，f）二值逆变器和STI在输入电压波动下的时间响应。

图二、代表性等效电路研究

（a）STIs的代表性等效电路；

（b-e）各种配置中的逆变器元器件传输特性示意图；

（f）NDR+PMOS配置中器件的负载线分析（顶部）和STI特性（底部）。

图三、多值逻辑门的新兴材料研究

（a，b）Ge₂Sb₂Te₅纳米线的TEM图像，以及其元素和空间分布；

（c）电阻随写入电流脉冲而变化；

（d，e）基于金属纳米粒子的MVL器件示意图，以及包含电荷捕获的存储器件的相应能带图；

（f）基于纳米粒子的器件中的多级存储行为；

（g）电化学多稳定分子层的示意图；

（h）多值非易失性开关。

图四、2D van der Waals异质结

 （a）NDR器件和NTC器件的典型电流-电压曲线；

（b）各种类型能带匹配的示意图；

（c-e）MoS₂/WSe₂异质结器件的结构，能级图和NDR特性；

（f-h）BP/ReS₂异质结器件的结构，STI和SRAM；

（i，j）并五苯/HfS₂异质结装置的结构及工作原理；

（k-m）基于α -6T/PTCDI-C8的AAT电路的STI器件结构，传输特性，以及STI运行。

图五、石墨烯同质结

（a）通过施加电压在石墨烯中形成的p/n同质结的能级示意图；

（b，c）值线图和NDR传递特性；

（d-f）掺有薄金属带的石墨烯晶体管的器件结构，NTC传输特性和STI运行；

（g-i）掺杂R6G有机染料的石墨烯晶体管在光照射下的工作示意图，器件的NTC传输特性，以及STI运行。

图六、量子点场效应晶体管

（a）三级传递曲线示意图；

（b）SOI衬底上QDGFET的器件几何形状；

（c）SiO_x-QD嵌入和GeO_x-QD嵌入结构的TEM图像；

（d）QDGFETs的多值电容-电压特性；

（f）QDGFET的多值传输特性显示了常规导通状态和截止状态之间的中间状态；

（g）嵌入ZnO纳米晶体的非晶ZnO杂化层的TEM图像；

（h）具有量子化状态的混合纳米层总态密度示意图；

（i）具有两种中间态的器件的传输特性。

图七、其他新兴方法

（a）基于BTBT的多值T-CMOS晶体管的器件几何构型；

（b）施加V_DD从2到0.7 V的情况下，二进制到三进制过渡；

（c）带有T-CMOS器件阵列的照片；

（d）用于极化子限制的基于III-V半导体的纳米腔；

（e）极化子的多重稳定性；

（f）布洛赫球轨迹，表明极化子自旋的多重稳定性。

【小结】

综上所述，对多值逻辑（MVL）系统的研究进展表明，电子领域正朝着超Moore’s law的新时代转变。从0D量子点到垂直堆叠的vdW异质结构，各种新材料的出现推动了近年来MVL技术的发展。它们为中间态提供了可控制的易失性和非易失性物理变量，可用于在数学上增加冯·诺依曼和内存计算体系结构的信息密度。在这篇综述中，回顾了MVL门的研究现状，并阐明了主要的研究趋势。同时对具有代表性的MVL门的通用格式的评估，揭示了组件器件为实现理想的宽范围运行而需要满足的设计标准。此外，根据每个器件的工作原理，对新兴材料进行了分类。总结了每种材料的发展，为将来对MVL门的研究提供了指导。

文献链接：“Recent Advances on Multivalued Logic Gates: A Materials Perspective”(Advanced Science，2021，10.1002/advs.202004216)

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