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中科院宁波材料所在新型光电信息存储与处理技术研究方面取得进展

发布时间:2018-07-03 阅读数:2230

存储器是信息记录的载体,在国民生产生活和国防安全中发挥着举足轻重的作用,是集成电路最重要的组成部分之一。当前,传统存储器的发展遇到技术瓶颈并面临一些新的挑战,比如:当器件尺寸缩小至10nm以下时,漏电、发热、功耗以及工艺难度等问题将严重影响存储器的稳定性和可靠性,必须发展新的器件结构来持续提高存储容量。另一方面,大数据的实时性处理需要功能集成的信息器件,来解决由于存储与处理分离的工作方式所造成的延迟和能耗问题。因此,必须通过引入新材料、新结构、新原理,发展新型多功能存储器,以突破摩尔定律极限和冯诺依曼瓶颈对于计算机运算性能的限制。

阻变存储器是一种新兴的信息技术,通过电场控制电极/介质/电极三明治结构的电阻发生非易失性可逆转变,即可实现信息的存储。阻变存储器不仅具有操作速度快、功耗低、与CMOS工艺兼容等优点,其简单的器件结构和广泛的材料选择范围也为高密度和多功能集成提供了可能,是下一代存储器的重要候选之一。近年来,中国科学院磁性材料与器件重点实验室(中科院宁波材料所)李润伟研究员团队围绕新型阻变信息存储器开展了一系列前瞻性研究,具体包括在阻变器件中发现室温量子电导现象,在原子尺度揭示了阻变的微观机制(Adv. Mater. 2012, 24, 3941);在CoFe2O4磁性薄膜中利用电场调控离子迁移实现磁畴可逆翻转,为非易失磁存储器提供一种新思路(ACS Nano 2015, 9, 4210);在五氧化二钒薄膜中通过电场驱动氧离子输运构建纳米尺度的二氧化钒通道,利用纳米尺度下二氧化钒的相变获得可靠地开关特性,并结合氧化铪构建1S1R结构,有效解决了阻变存储器交叉阵列中的串扰问题(Adv. Mater. 2017, 29, 1702162)。该系列研究为澄清阻变机理、探索高性能阻变材料、发展新型信息存储机制以及解决阻变存储器大规模集成过程中遇到的问题提供了新的思路与方法。

另一方面,光互连芯片技术利用光子传输信息,可克服电子在传输过程中的焦耳热和频率极限等问题,已成为未来实现高性能电子计算技术的主要途径之一。最近,针对光电多功能信息处理与存储技术,该研究团队的檀洪伟博士和刘钢研究员提出了在电场调控的基础上引入光照等多种物理场进一步调控器件特性,从而在单一器件中实现存储-运算功能融合的思路。选用光敏半导体氧化铈(CeO2-x)作为介质构建阻变器件,发现利用光照和电场的协同作用能够对金属/绝缘体/氧化物半导体(MIS结构)界面的电荷俘获状态以及器件能带结构进行有效的调控,从而呈现电场可擦除的持续光电导效应。他们利用器件对于光照次数、频率和强度灵敏度高的特点,在单一器件中实现了光信息解码、计数与存储功能的集成(Adv. Mater. 2015, 27, 2797)。在此基础上,该团队进一步实现了光调控MIS结界面的电致阻变行为,并获得了光控的忆阻器。在该器件中,利用光和电脉冲作为输入信号、电流作为输出信号,可实现非易失的逻辑门的相互转换。并进一步通过引入擦除电压作为门,在单个光控忆阻器中实现了更为复杂的非易失逻辑操作,从而可将其定义为“Memlogic”,即非易失性可重构及可原位存储的逻辑门。由于光控忆阻器具有对输入光强度和脉冲个数的线性响应特性,所以利用两束光可以实现对光信号的数字操作,如光信号加法和数模转换的功能。在此基础上,利用器件在不同电阻状态下的光响应特性,该团队从原理上展示了光控忆阻器阵列的非易失可重构图片处理功能,即:当所有光控忆阻器处于高电阻状态时,该阵列可以实现寻找不同图片的重复部分(交集)的功能(Same Finder),当所有光控忆阻器处于低电阻状态时,该阵列可以实现寻找不同图片中的所有部分(并集)的功能(All Finder),同时处理结果也原位存储于该阵列中。这种基于光场调控阻变效应的多功能器件为实现光电信息网络中高效、可重构的信息处理与存储提供了重要的理论和实验基础。相关结果已申请中国发明专利2项:201510114334.6(已授权)和201610039778.2,论文近期发表在ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.7b05762)。文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b05762

以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、浙江省杰出青年科学基金(R7080380)以及宁波市科技创新团队等项目资助。

 

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光控忆阻器结构示意图(a),可重构逻辑操作(bc),以及图像处理功能(def

 

(中科院宁波材料所 顾勰民    通讯员 徐敏)

 

 

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