蘇州納米所康黎星等合作Advanced Materials：內(nèi)嵌碳納米管三值邏輯晶體管
受限于基礎(chǔ)物理極限，硅基晶體管的尺寸已無法繼續(xù)按比例縮小，越來越難以滿足人工智能等前沿領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的計(jì)算需求。為此，研究人員正積極開發(fā)新型溝道材料，并探索替代傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的方案，以期取得能夠延續(xù)甚至超越摩爾定律的突破性進(jìn)展。然而，基于二進(jìn)制電路的系統(tǒng)中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一仍然是功能單元之間及內(nèi)部連線的片上互連。隨著晶體管密度的持續(xù)提升，互連所占用的面積預(yù)計(jì)將超過邏輯單元，這對(duì)進(jìn)一步的微縮與集成構(gòu)成了重大障礙。多值邏輯（MVL）因其更高的計(jì)算效率和數(shù)據(jù)吞吐能力，被認(rèn)為是緩解這一問題的有前景的方案。與二進(jìn)制邏輯不同，MVL在單個(gè)邏輯單元內(nèi)包含多個(gè)邏輯狀態(tài)，能夠執(zhí)行更復(fù)雜的運(yùn)算，從而從根本上降低功耗和芯片面積。傳統(tǒng)硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是為二進(jìn)制邏輯設(shè)計(jì)的，其固有的電學(xué)特性和工藝限制阻礙了MVL所需的多個(gè)穩(wěn)定電壓狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)。
半導(dǎo)體型單壁碳納米管（s-SWCNT）憑借其一維超薄結(jié)構(gòu)和極高的載流子遷移率，被認(rèn)為是亞納米超制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)的重要候選材料。然而，如何將這些固有優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為電可尋址的MVL器件，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。這一困難主要源于在限域體積內(nèi)定義和穩(wěn)定多個(gè)不同的電導(dǎo)狀態(tài)，并將其可靠地耦合到輸出信號(hào)的問題，從而限制了它們?cè)趶?fù)雜計(jì)算系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。
針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所康黎星研究員及合作者提出了一種由s-SWCNT和乙酰丙酮釔（Y(acac)3）組成的一維同軸異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將其用作晶體管的溝道材料。該晶體管表現(xiàn)出多個(gè)電阻態(tài)，適用于MVL電路。該方法實(shí)現(xiàn)了s-SWCNT內(nèi)部均勻且穩(wěn)定的摻雜，有效緩解了由于表面懸掛鍵導(dǎo)致的金屬-半導(dǎo)體接觸退化和載流子散射。s-SWCNT一維中空腔體的徑向限域作用誘導(dǎo)了封裝Y(acac)3分子的形變。這一解釋與高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡圖像中觀察到的襯度特征一致，并得到了光譜學(xué)證據(jù)和密度泛函理論計(jì)算的進(jìn)一步支持。這種形變?cè)鰪?qiáng)了分子的極化率，從而在外電場(chǎng)下產(chǎn)生更顯著的極化響應(yīng)。通過這一機(jī)制，在晶體管的工作電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了溝道載流子的協(xié)同捕獲與釋放，進(jìn)而在同一器件內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的多電阻態(tài)。基于這一特性制備的三元邏輯電路對(duì)輸入信號(hào)具有選擇性，能夠準(zhǔn)確識(shí)別輸入信號(hào)的最大值或最小值并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。此外，還展示了三元權(quán)重網(wǎng)絡(luò)（TWN）在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的潛力。進(jìn)一步地，通過實(shí)驗(yàn)和理論研究，將這一概念推廣到由其他金屬乙酰丙酮配合物與s-SWCNT構(gòu)成的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的多值邏輯方案相比，該工作避免了復(fù)雜的能帶工程或多層堆疊，更有利于大規(guī)模集成，并為理解一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的構(gòu)效關(guān)系以及實(shí)現(xiàn)三元邏輯晶體管提供了新的視角。
圖1 基于Y(acac)3@s-SWCNT異質(zhì)結(jié)構(gòu)的柔性晶圓制備過程及其電學(xué)均勻性表征
圖2 Y(acac)3@s-SWCNT異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)ternary邏輯功能的物理機(jī)制
圖3 基于Y(acac)3@s-SWCNT ternary晶體管的邏輯門電路設(shè)計(jì)及其電壓傳輸特性曲線
圖4 Ternary權(quán)重網(wǎng)絡(luò)（TWNs）在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用
相關(guān)成果以Filled carbon nanotube ternary transistors為題發(fā)表于Advanced Materials。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所博士生滕宇、姚建，博士后王琦男為論文共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所康黎星研究員、西交利物浦大學(xué)趙春教授和新加坡國(guó)立大學(xué)Mario Lanza教授為共同通訊作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃、江蘇省前沿技術(shù)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持，以及中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）和納米加工平臺(tái)的技術(shù)支持。
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