多值逻辑应用驱动的石墨烯纳米带超晶格场效应器件原理设计

Looking forward to the post-silicon era, improving IC’s infromation processing ability is an important target for the novel device research. Different from the normal method as developing some specifical device performance parameters, such as reduce size, decrease cost, increase running speed, and so on, we give a new idea as fusing device character design with logic description. Since the multi-value logic can express more information than the Boolean logic, basing on our preliminary works on graphene nanoribbon’s geometrical parameters’ effect on its energy band structure, we propose graphene nanoribbon super lattice field effect transistor (GNLT), here, which can realize multi-stable states and express multi-value logic. This device can overcome mulit-value logic’s difficulty on integration density, and point out a new way to improving IC’s information processing ability. . In practice, we research graphene super lattice from the aspect of electric device firstly. Based on them, a novel device, GNLT, is designed, and its performance is optimized according to the demand of multi-value logic. Then the analytic description about GNLT’s mechanism is given, and GNLT’s circuit application model is setup by employing the intelligent computing method. Finally novel multi-value logic circuits for GNLT are developed to refresh the types of multi-value logic. The proposed interdisciplinary cooperation design flow, which starts from energy band analysis and finish up with circuit design, bridges the gap between the different methods of different research areas, and paves the way from theory to application for novel nano-structures.

展望后硅基时代，进一步提升集成电路的信息处理能力是新型器件研究的一个重要目标。不同于单纯提升某具体器件性能参数（如减小体积、降低功耗、提高速度等）的常规方法，我们拟将器件性能研究与逻辑表达设计相结合，根据多值逻辑可承载更大信息量的原理，基于课题组前期对石墨烯纳米带几何参数调节其能带结构的研究，提出可实现多个稳定态从而表达多值逻辑的平面石墨烯纳米带超晶格场效应器件，破解多值逻辑不易集成的难题，为集成电路信息处理能力的增强提供一个新的思路。.具体而言，本课题拟研究面向器件的石墨烯平面超晶格结构；设计石墨烯纳米带超晶格场效应器件，以多值逻辑承载为指向给出优化；分析器件工作机理的解析表达，引入智能计算手段建立电路级应用模型；根据器件特点发展新型多值逻辑电路结构，刷新多值逻辑设计理念。构建从能带分析到电路设计的跨学科协同流程，弥合不同领域在研究方法上的割裂，为新型纳米结构从理论研究走向应用探索道路。

本课题按照研究计划在石墨烯纳米带平面超晶格能带结构研究、石墨烯纳米带超晶格场效应器件设计、器件工作机理路级建模、多值逻辑电路设计应用方面展开研究。分析了石墨烯纳米带平面超晶格能带结构、设计了超晶格场效应器件、建立了器件路级模型、设计了多值逻辑应用电路。此外，结合兴起的机器学习方法，研究了其与器件设计的结合。.通过研究，分析了石墨烯纳米带的边沿效应及超晶格长度比例变化效应，总结了不同宽度纳米带形成超晶格的连接形态，并提出了电子态波函数对称性机制进行了解释；采用网孔、宽窄带、边沿饱和、介电层调控等多种方式设计了石墨烯纳米带超晶格场效应器件的负阻隧穿，探讨了缺陷、边沿粗糙、杂质原子吸附等对器件隧穿性能的影响，并扩展到“之字形”石墨烯纳米带器件、磷烯纳米带器件的设计；利用以上对负阻效应的研究，设计了基于单负阻器件的多种三值逻辑门，在此基础上基于双负阻隧穿器件的I-V特性，建立MMLE结构，设计了与非门、或非门、非门及文字门的三值逻辑基本操作单元完备集，并以三值加法器电路在通用电路设计平台SPICE上验证了多负阻多值逻辑的可行性；采用神经网络的方法对石墨烯场效应管进行了建模，建立了通用的忆阻器电路级模型，基于此设计了基于忆阻特性的机器学习方法，并探讨了忆阻机器学习在现有CMOS工艺电路下的实现。此外，在此基金的部分资助下，还进行了射频电路设计和生物医学方面的研究。.在本课题的支持下，发表了54篇研究论文。国际刊物38篇，国内刊物12篇。其中SCI论文37篇。参加国际会议6次，参加全国性会议4次。授权发明专利2项，申请中发明专利1项。培养研究生22人，其中已毕业博士生4人，已毕业硕士生9人，在读博士生3人，在读硕士生6人。.项目经费按照规范使用。.项目达到了预期目标，超额完成预期研究成果任务。.基于本项目研究的体会，建议今后可进一步关注新型纳米器件的分析和设计以及机器学习方法与微纳电子学的结合。