磁场调控的阻变效应及其在可重构逻辑器件中的应用研究

Utilizing resistance switching effect to construct reconfigurable logic device with integrated memory capability is of great importance for simplifying the architecture of the reprogrammable logic device as well as enhancing its computation performance. The key scientific issue involved is the continuous, reversible and nonvolatile modulation of the device resistance through multiple physical fields. In this project, self-designed multi-field coupled probe measurement system, nanoscale magnetic-electric-thermal multi-variable coupled measurement system and the laser fluorescence microscopy-semiconductor characterization system will be employed to investigate the transport properties of magnetic metal ions under the synergistically applied electric and magnetic fields, as well as its relationship with the evolution of the nanoscale conductive filament and magnetic nanocontact structure in the insulating media. The influence of the magnetostrictive effect, charge-spin-crystalline lattice correlation, device structure and size, circuit design, operation philosophy and working condition on the charge carrier transport along the nanoscale conductive filament, as well as the electrical performance of the device, will be studied. The aim of this project is to realize the integration of reconfigurable logic and memory functions in a single resistive switching device.

利用阻变效应开发可重构的、集成存储功能的逻辑单元，对于简化可编程逻辑器件的架构并提高其运算性能具有重要的意义。其中，核心科学问题是如何通过多种物理场连续、可逆和非易失地调节器件的电阻状态。本项目拟采用自主设计搭建的多场耦合探针测量系统、纳米磁-电-热多参量耦合测量系统以及激光显微荧光-半导体参数联合测试系统，深入探索磁性金属离子在电场和磁场协同作用下的输运行为及其与绝缘介质中的纳米导电通道、尤其是磁性纳米点接触结构的演化过程之间的关联规律，考察磁致伸缩效应以及磁场作用下电荷-自旋-晶格之间的关联作用对于载流子沿纳米导电通道输运的调控作用，研究器件结构、尺寸效应、电路设计、操作方法、工作环境等因素对于器件电学行为的影响规律，最终获得在单个器件中实现逻辑操作与存储功能融合的新途径。

利用阻变效应开发可重构的、集成存储功能的逻辑单元，对于简化可编程逻辑器件的架构并提高其运算性能具有重要的意义。其中，核心科学问题是如何通过多种物理场连续、可逆和非易失地调节器件的电阻状态。本项目深入探索金属离子在电场和磁场协同作用下的输运行为及其与绝缘介质中的纳米导电通道、尤其是纳米点接触结构的演化过程之间的关联规律。通过材料成分、结构/微结构以及操作方法的优化，在具有非晶-纳米晶混合结构的HfO2-x薄膜中利用电场驱动的氧离子（空位）迁移和Reset过程的负反馈机制实现了纳米导电细丝和原子点接触的逐级调控。进一步地，以具有高电阻率、宽带隙、高介电常数、良好热稳定性以及大量非晶格氧和金属钆成分的Gd2O3作为介质制备Pt/Gd2O3/ITO结构的阻变器件，不仅在纳米导电细丝和原子点接触连通的临界状态稳定、可控地获得了0.5到16G0之间的全部32个半整数倍量子电导状态，还发现了Gd2O3器件电阻态对于薄膜磁性的有效调控，即器件处于低阻态时其室温饱和磁化提高了170%以上。同时，低阻态器件具有明显的磁阻行为，其数值随器件电导的减小而迅速增大，并在量子电导态下达到了超大的104%。对比实验表明Ag/Gd2O3/ITO和Pt/HfO2/ITO结构器件中的Ag纳米导电细丝和Vo纳米导电细丝均不具有磁电阻特性，证实Pt/ Gd2O3/ITO阻变器件的磁电阻特性来自于室温铁磁金属Ga原子点接触结构。在此基础上，我们利用两个忆阻器的串并联电路，以施加于器件的磁场有无作为逻辑输入1和0，基于器件在高低阻态下磁电阻输出信号的大小，实现了NAND、NOT和FALSE功能的重置，并利用器件的多值阻变特性实现了全加器和乘法器电路的构建。上述研究结果表明可以利用磁场和电场协调调控的阻变介质中磁性金属离子的输运行为、磁性纳米导电细丝的演化过程以及器件的阻变效应，基于少数忆阻器件和简单的电路结构实现CMOS工艺兼容、可重构逻辑器件，从而实现（电）存储与（磁）运算功能的原位融合，为提高未来计算机系统的整体算力提供新的器件基础和技术途径。