CN108417709B - 一种集多值存储和逻辑运算于一体的器件单元及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多值存储和逻辑运算技术领域，具体为一种集多值存储与逻辑运算于一体的器件单元及其操作方法。本发明器件单元包括由复杂强关联氧化物薄膜制备成的微纳米线、生长薄膜的衬底以及在其表面微纳加工得到的多对侧栅电极。当在侧栅电极上施加多对电压，可局域调控复杂强关联氧化物微纳米线金属绝缘体转变，实现多值信息存储。同时在该器件上可实现“非”、“与非”、“或非”等逻辑运算。采用电场调控读写数据，有利于降低器件存储单元功耗，同时将多值存储和逻辑运算集于同一器件单元，可简化器件结构，提高集成度。采用不同对电极写入数据，有利于独立的对各对电极进行调控和优化。
Description
技术领域
本发明属于多值存储和逻辑运算技术领域，具体涉及一种集多值存储与逻辑运算于一体的器件单元及其操作方法。
背景技术
传统基于冯诺依曼架构的电子器件，由于其存储器与逻辑器分离，使得存储器与运算器之间的数据传输成为影响系统性能的瓶颈，大大限制了计算机的性能。在当今大数据时代，每天产生数以亿级的数据，传统的电子器件为提高集成度不断缩小器件尺寸，基于半导体集成电路的器件由于物理上和微加工工艺上的限制已经逐渐趋于极限，摩尔定律失效，因此寻找新的方法解决这一难题显得尤为重要。本发明利用具有金属绝缘体相变的材料，通过局域电场调控，可实现集存储与逻辑于一体的得非冯诺依曼架构的电子器件。
发明内容
针对上述背景中提到的摩尔定律失效以及传统基于冯诺伊曼架构电子器件遇到的难题，本发明提出一种在具有金属绝缘体相变的材料上，通过微纳米加工，以及施加局域电场调控，实现多值存储和逻辑运算结合于一体的器件。简化了器件结构，提高了器件集成度，同时电场调控可降低器件存储单元功耗，多对电极操作有利于独立的对各对电极进行调控和优化。
本发明提供的集多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，该器件单元包括：
衬底（1）、生长于衬底（1）上的复杂强关联氧化物薄膜制备成的微纳米线（2）、用于测量微纳米线电输运的电极（3），以及用于驱动金属绝缘体相变的多对侧栅电极，该侧栅电极包括第一侧栅电极（4）和第二侧栅电极（5）。
其中，在所述侧栅电极上施加电压，使得微纳米线局域的由绝缘态转变为金属态，阻值变化，通过在N对电极上操作，可得到2N个组态，实现多值存储。同时，通过在一对或两对电极上施加不同的电压值，实现“非”、“与非”、“或非”逻辑操作。
可选的，所述的衬底（1）为绝缘衬底，考虑到生长条件和薄膜质量，优选SrTiO3、LaAlO3、NdGaO3中的一种。
可选的，所述的复杂强关联氧化物薄膜是通过脉冲激光沉积生长在衬底上，氧化物薄膜材料可选择La1-xCaxMnO3或La1-x-yPryCaxMnO3等具有金属绝缘体转变的薄膜材料，薄膜材料厚度视其性质而定，可选的，厚度大于或等于30nm。例如，一般厚度可为30nm--200nm，优选30nm--100nm。
微纳米线(2)是通过电子束曝光、干法刻蚀等纳米器件加工工艺制备而成。
优选的，所述微纳米线（2）制备为长方体结构，宽度小于或等于1微米，一般为0.1--1微米；长度大于或等于10微米，一般为10微米--100微米，厚度为薄膜厚度，大于或等于30nm，一般为30nm--200nm。
第一侧栅电极（4）通过电子束曝光、电子束蒸发等传统纳米器件加工工艺制备而成，可选的，电极材料为Cr/Au，Cr/Pt或Cr/Pd中的一种。
所述第一侧栅电极（4）为L型结构，靠近微纳米线（2）两侧的电极宽度小于或等于一微米（例如为0.1--1微米），电极间隔大于或等于2微米（例如为2微米—10微米），电极与微纳米线（2）的间隔亦小于或等于1微米（例如为0.1--1微米）。电极厚度一般与薄膜厚度相等，可选的，大于或等于30nm，例如，为30nm--200nm。
用于测量微纳米线电输运的电极（3）和第二侧栅电极（5）通过紫外光刻制备而成，可选的，电极材料为Cr/Au，Cr/Pt或Cr/Pd中的一种。所述用于测量微纳米线电输运的电极（3）和第二侧栅电极（5）具有较大的尺寸，用于外接测量线路，可选的，形状为长方体或正方体，其尺寸大于或等于20μm×20μm。例如为20μm×20μm ~ 100μm×100μm。电极厚度一般与薄膜厚度相等，可选的，大于或等于30nm，例如为30nm--200nm。
本发明还提供一种基于上述器件单元进行多值存储的操作方法：
利用输运电极测量复杂强关联氧化物纳米线的电阻，在每对侧栅电极上施加连续变化电压，测量得到电阻随电压的变化关系。电阻的变化存在阈值电压Vc。只有当电压V大于阈值电压Vc时，复杂强关联氧化物微纳米线发生由绝缘体向金属转变，从而电阻值减小，器件多值存储功能的实现是通过在N对电极上施加大于阈值电压Vc的电压V，通过组合开关N对电极电压，得到2N个电阻态。
本发明还提供一种基于上述器件单元进行多值存储的操作方法：
基于上述多值存储的操作方法，在侧栅电极上施加电压测量微纳米线的电阻，存在使阻态变化的阈值电压Vc。在两对电极上施加略小于阈值电压Vc的电压V，可实现逻辑“与非”；在两对电极上施加大于于阈值电压Vc的电压V，可实现逻辑“或非”；在一对电极上施加大于阈值电压Vc的电压V，可实现逻辑“非”。
附图说明
图1是本发明一实施例的可实现多值存储与逻辑运算于一体的器件示意图。
图2是本发明一实施例的可实现多值存储与逻辑运算于一体的器件场发射扫描电镜图。
图3显示了复杂强关联氧化物微纳米线的电阻随侧栅电极电压的变化图。
图4演示了三对电极可实现的八态存储。
图5显示了在三对电极上多次随机操作可重复实现八态存储。
图6是八个可区分阻态的直方分布图。
图7是本发明一实施例实现的逻辑“非”操作示意图。
图8是本发明一实施例实现的逻辑“与非”操作示意图。
图9是本发明一实施例实现的逻辑“或非”操作示意图。
图中标号：1为衬底，2为复杂强关联氧化物纳米线，3为用于测量微纳米线电输运的电极，4为第一侧栅电极，5为第二侧栅电极。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例进一步详细说明。应当理解，以下描述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一部分，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定索要保护的范围。
如图1所示，是按照本发明一实施例的可实现多值存储与逻辑运算于一体的器件示意图。根据图1所示，包括，衬底（1）、生长于衬底上的复杂强关联氧化物薄膜制备成的微纳米线（2）、用于测量微纳米线电输运的电极（3），以及用于驱动金属绝缘体相变的多对侧栅电极，该侧栅电极包括第一侧栅电极（4）和第二侧栅电极（5）。图2所示为按照本发明一实施例的可实现多值存储与逻辑运算于一体的器件场发射扫描电镜图，其为俯视平面结构，为使图像扫描清晰，所示电镜图为整体器件的其中一部分。如图2所示，其中显示出了衬底，生长于衬底上的复杂强关联氧化物薄膜制备成的微纳米线，用于驱动金属绝缘体相变的多对侧栅电极。其中，衬底为绝缘衬底，考虑到生长条件和薄膜晶格常数以及薄膜性质，衬底可以选择SrTiO3、LaAlO3、NdGaO3等绝缘衬底，也可以是Si单晶上外延的SrTiO3。
复杂强关联氧化物薄膜生长在衬底之上，可以是任意一种有金属绝缘体转变的复杂强关联氧化物薄膜材料，可以选自以下材料：La1-xSrxMO3、Nd1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3或La1-x-yPryCaxMnO3。氧化物薄膜的制备方法也不受限制，例如，可以通过溅射、蒸发、化学气相沉积（CVD）、脉冲激光沉积（PLD）等薄膜生长方法制备形成。薄膜材料厚度视其性质而定，厚度大于或等于30纳米，例如50纳米。
微纳米线是复杂强关联氧化物薄膜生长在衬底之后，通过电子束曝光、激光直写、纳米压印或光刻等技术实现图形转移，之后通过干法刻蚀和湿法刻蚀等纳米器件加工工艺在衬底表面形成微纳米线。其宽度小于或等于1微米，例如可以为1微米、800纳米、500纳米等，长度大于或等于10微米，例如30微米、50微米等，厚度为薄膜厚度，大于或等于30纳米，例如50纳米。
侧栅电极是在微纳米线制备完成之后，通过套刻，利用电子束曝光和光刻技术在微纳米线两侧制备电极图形，随后利用电子束蒸发或热蒸发生长导电电极。电极材料可以为Cr/Au，Cr/Pt或Cr/Pd中的任意一种。靠近微纳米线两侧的电极距纳米线的间距小于或等于一微米，例如可以800纳米或500纳米，电极距纳米线的间距越小，越有利于减小施加电压，可产生更大的局域电场。电极间隔小于或等于1微米，例如电极与微纳米线的间隔大于或等于2微米，例如4微米或6微米，电极间距应该视纳米线长度而定，在可制备情况下间距越大，相互之间影响就越小。电极厚度一般与薄膜厚度相等，大于或等于30纳米，例如，50纳米。
图3所示为图2所示实施例中，纳米线电阻值随两侧任意一对侧栅电极电压的变化关系图。在本实施例中，存在一个电压阈值Vc，低于阈值Vc电阻值减小缓慢，大于阈值Vc电阻值变化快速。
图4所示演示了如图2所示器件图，利用其中三对侧栅电极操作，实现微纳米线八个阻态变化。在本实施例中，为使微纳米线发生金属绝缘体转变，在电极两侧任意三对电极，例如电极”1”、”2”、”3“施加大于阈值电压Vc的值V1、V2、V3，同时测量微纳米线两侧的电阻，先后按照一下表格顺序开关电极电压，可实现微纳米线八个阻态的实现
表1：三对电极实现八阻态存储其中一种操作方法
图5所示演示了如图4所示操作方法，在其中与图4相同三对电极上施加相同电压V1、V2、V3，但开关顺序变化，一共存在 QUOTE 
种操作方式，例如多种可选择的其中一种可能如下
表2：三对电极实现八阻态存储其中另一种操作方法
多次重复操作均可实现八阻态变化，而且相同的开关状态对应一致的阻值。
图6所示是八个阻态的直方统计图，统计不同开关状态下对应不同阻态值的计数，八个阻态值可完全独立区分。
应当注意，实施例中仅对其中三对电极进行了操作，按照本发明可以制备N对电极，在N对电极上实施操作，可实现2N阻态存储。
图7所示是本发明一实施例实现的逻辑“非”操作示意图。如图3所述，阻值的变化存在一个阈值电压Vc，实现逻辑“非”操作是在其中一对电极上，例如电极对“1”上施加大于阈值电压Vc的电压V1，对施加电压V1的操作记为“1”，当施加电压V1，电阻由高阻态变到低阻态，记为“0”。对施加电压0V的操作记为“0”，当施加电压0V,电阻仍在高阻态，记为“1”。从而实现了逻辑“非”操作。其真值表如下：
表3：本发明一实施例实现的逻辑“非”真值表。
图8所示是本发明一实施例实现的逻辑“与非”操作示意图。如图3所述，阻值的变化存在一个阈值电压Vc，实现逻辑“与非”操作是在其中两对电极上，例如电极对“1”和电极对“2”上施加略小于阈值电压Vc的电压V1和V2，对施加电压V1或者V2的操作记为“1”，对施加电压0V的操作记为“0”。当两对电极上均施加0V电压（”0“、“0“），电阻在高阻态（”1“）；当在电极对“1“上施加V1（”1“），电极对”2“上施加电压0V（”0“）时，由于电压小于阈值电压，电阻仍在高阻态（”1）；当在电极对”1“上施加电压0V（”0“），电极对“2“上施加V2（”1“）时，由于电压小于阈值电压，电阻仍在高阻态（”1）；当在电极对“1“上施加V1（”1“），电极对”2“上施加电压V2（”1“）时，由于选择电压V1、V2略小于阈值电压Vc，当两对电极同时作用时，微纳米线发生金属绝缘体相变，电阻由高阻态降到低阻态（“0”）。从而实现了逻辑“与非”操作。其真值表如下：
表4：本发明一实施例实现的逻辑“与非”真值表。
图9所示是本发明一实施例实现的逻辑“或非”操作示意图。如图3所述，阻值的变化存在一个阈值电压Vc，实现逻辑“或非”操作是在其中两对电极上，例如电极对“1”和电极对“2”上施加大于阈值电压Vc的电压V1和V2，对施加电压V1或者V2的操作记为“1”，对施加电压0V的操作记为“0”。当两对电极上均施加0V电压（”0“、“0“），电阻在高阻态（”1“）；当在电极对“1“上施加V1（”1“），电极对”2“上施加电压0V（”0“）时，由于电压大于阈值电压，微纳米线发生金属绝缘体相变，电阻由高阻态降到低阻态（“0”）；当在电极对”1“上施加电压0V（”0“），电极对“2“上施加V2（”1“）时，由于电压大于阈值电压，微纳米线发生金属绝缘体相变，电阻由高阻态降到低阻态（“0”）；当在电极对“1“上施加V1（”1“），电极对”2“上施加电压V2（”1“）时，由于选择电压V1、V2均大于阈值电压Vc，当两对电极同时作用时，微纳米线发生金属绝缘体相变，电阻由高阻态降到低阻态（“0”）。从而实现了逻辑“或非”操作。其真值表如下：
表4：本发明一实施例实现的逻辑“或非”真值表。
以上实施例主要说明了本发明集多值存储与逻辑运算于一体的器件单元的制备方法及其操作方法，尽管只对其中一种本发明实施方式进行了描述，但本发明在不偏离其主旨与范围内可以以许多其他方式实施。因此，应该理解的是，以上实施例并不限于本发明，凡在本发明精神和原则内，所做的修改、替换、该进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，包括，衬底（1）、生长于衬底上的复杂强关联氧化物薄膜制备成的微纳米线（2）、用于测量微纳米线电输运的电极（3），以及用于驱动金属绝缘体相变的多对侧栅电极，该侧栅电极包括第一侧栅电极（4）和第二侧栅电极（5）；
其中，在所述侧栅电极上施加电压，使得微纳米线局域的由绝缘态转变为金属态，阻值变化，通过在N对侧栅电极上操作，得到2N个组态，实现多值存储；同时，通过在一对或两对侧栅电极上施加不同的电压值，实现“非”、“与非”、“或非”逻辑操作。
2.根据权利要求1所述的集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，所述的衬底（1）为SrTiO3、LaAlO3、NdGaO3中的一种。
3.根据权利要求1所述的集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，所述的复杂强关联氧化物薄膜是通过脉冲激光沉积生长在衬底上，微纳米线(2)是通过电子束曝光、刻蚀传统纳米器件加工工艺制备而成；
所述微纳米线（2）为长方体结构，宽度小于或等于1微米，长度大于或等于10微米。
4.根据权利要求3所述的集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，所述氧化物薄膜为La1-xCaxMnO3或La1-x-yPryCaxMnO3。
5.根据权利要求1所述的集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，第一侧栅电极（4）通过电子束曝光、电子束蒸发的传统纳米器件加工工艺制备而成，电极材料为Cr/Au，Cr/Pt或Cr/Pd中的一种；
所述第一侧栅电极（4）为L型结构，靠近微纳米线（2）两侧的第一侧栅电极距微纳米线（2）的间距小于或等于1微米，各个侧栅电极的间隔大于或等于2微米。
6.根据权利要求1所述的集电场驱动型多值存储和逻辑运算于一体的器件单元，其特征在于，用于测量微纳米线电输运的电极（3）和第二侧栅电极（5）通过紫外光刻制备而成，电极材料为Cr/Au，Cr/Pt或Cr/Pd中的一种；
所述用于测量微纳米线电输运的电极（3）和第二侧栅电极（5）用于外接测量线路，形状为长方形或正方形，其尺寸大小大于或等于20μm×20μm。
7.一种基于权利要求1所述的器件单元进行多值存储的操作方法，其特征在于，具体步骤为：在侧栅电极上施加电压，当电压V大于阈值电压Vc时，复杂强关联氧化物微纳米线发生由绝缘体向金属转变，从而电阻值减小，通过在N对电极上施加大于阈值电压Vc的电压V，组合开关N对侧栅电极电压，得到2N个电阻态，实现器件多值存储功能。
8.一种基于权利要求1所述的器件单元进行多值存储的操作方法，其特征在于，具体步骤为：在侧栅电极上施加电压，存在使阻态变化的阈值电压Vc；在两对电极上施加略小于阈值电压Vc的电压V，实现逻辑“与非”；在两对电极上施加大于于阈值电压Vc的电压V，实现逻辑“或非”；在一对电极上施加大于阈值电压Vc的电压V，实现逻辑“非”。
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