基于拉曼协议的量子存储

量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统,是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件.量子存储协议多种多样,其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注.然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性.本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标,在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后,重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究,取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.     

应用于感存算一体化系统的多模调控忆阻器

交互式人工智能系统的构建依赖于高性能人工感知系统和处理系统的开发.传统的感知处理系统传感器、存储器和处理器在空间上是分离的,感知数据信息的频繁传输和数据格式转换造成了系统的长延时与高能耗.受生物感知神经系统的启发,耦合感知、存储、计算功能的感存算一体化技术为未来感知处理领域提供了可靠的技术方案.具有感知光、压力、化学物质等能力的忆阻器是应用于感存算一体系统的理想器件.本文从器件层面综述了应用于感存算一体化系统忆阻器的研究方向和研究进展,包括视觉、触觉、嗅觉、听觉和多感官耦合类别,并在器件、工艺与集成、电路系统架构和算法方面指出现阶段的挑战与展望,为未来神经形态感存算一体化系统的发展提供可行的研究方向.     

电荷直接隧穿特征时间的计算模型

在分析硅基纳米存储器的势结构和价带混合效应对直接隧穿过程影响的基础上,采用顺序隧穿理论和巴丁传输哈密顿方法,发展了电子和空穴直接隧穿时间的计算模型.利用该模型数值计算了硅基纳米存储器的编程时间和保留时间,讨论了结构参数和外加偏压对器件存储性能的影响,指出需要设计新的器件结构模型来优化硅基纳米存储器的保留特性.     

基于双极性二维晶体的新型p-n结

二维晶体的特殊结构和新奇物理性能为构建新型纳米结构和器件,实现半导体领域的突破性进展提供了可能.本文首先介绍了双极性二维晶体的基本物理性能和相关范德瓦耳斯异质结的制备方法.在此基础上,主要综述了双极性二维晶体在新型电场调制二维晶体p-n结与异质p-n结以及非易失性可存储二维晶体p-n结等方面的应用、相关结构设计、电子和光电子等物理性能.然后进一步介绍了该类新型p-n结在逻辑整流电路、场效应光电子晶体管、多模式非易失性存储器、整流存储器、光电子存储器、光伏器件等方面的潜在应用.最后总结展望了该种新型p-n结在相关领域的可能发展方向.     

锗/硅异质纳米结构中空穴存储特性研究

对p沟道锗/硅异质纳米结构存储器空穴隧穿的物理过程作了详细的分析，并对器件的擦写和保留时间特性进行了数值模拟.研究结果表明：由于异质纳米结构的台阶状隧穿势垒和较高价带带边差的影响，与传统的硅纳米结构存储器和n沟道锗/硅异质纳米结构存储器相比，当前器件的保留时间分别提高到10⁸和10⁵s以上，同时器件的擦写时间特性基本保持不变.这种存储器结构单元有效地解决了快速擦写编程和长久存储之间的矛盾，极大地提高了器件的存储性能. 关键词： 锗/硅 纳米结构 存储器 空穴存储 数值模拟     

阻变式存储器存储机理

阻变式存储器（resistive random access memory, RRAM）是以材料的电阻在外加电场作用下可在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的一类前瞻性下一代非挥发存储器.它具有在32nm节点及以下取代现有主流Flash存储器的潜力,成为目前新型存储器的一个重要研究方向.但阻变式存储器的电阴转变机理不明确,制约它的进一步研发与应用.文章对阻变式存储器的体材料中几种基本电荷输运机制进行了归纳,总结了目前对阻变式存储器存储机理的理论模型.     

面向感存算一体化的光电忆阻器件研究进展

脑启发神经形态计算系统有望从根本上突破传统冯·诺依曼计算机系统架构瓶颈,极大程度地提升数据处理速度和能效.新型神经形态器件是构建高能效神经形态计算的重要硬件基础.光电忆阻器作为新兴的纳米智能器件,因具备整合光学感知、信息存储和逻辑计算等功能特性,被认为是发展类脑视觉系统的重要备选.本文将综述面向感存算功能一体化的光电忆阻器研究进展,包括光电忆阻材料与机制、光电忆阻器件与特性、感存算一体化功能及应用等.具体将根据机制分类介绍光子-离子耦合型和光子-电子耦合型光电忆阻材料,根据光电忆阻特性调节方式介绍光电调制型和全光调制型光电忆阻器件,根据感存算一体化功能介绍其在认知功能模拟、光电逻辑运算、神经形态视觉功能、动态探测与识别等方面的应用.最后总结光电忆阻器的主要优势以及所面临的挑战,并展望光电忆阻器的未来发展.     

非易失半导体存储器技术

非易失存储器是集成电路最重要的技术之一,广泛应用于信息、航空/航天、军事/国防、新能源和科学研究的各个领域,有着巨大的市场。目前主流的非易失存储技术——基于浮栅结构的"闪存",尺寸微缩已接近其物理极限,难以继续提高其存储密度和性能来满足大数据时代对信息存储和处理的需求。介绍了国际及中国存储器产业发展现状和面临的挑战、非易失存储器的学术研究态势及微电子所在该领域的研究进展。     

基于二维层状材料的神经形态器件研究进展

近年来,人工智能的发展对计算和存储的需求不断提升.但是,摩尔定律的放缓以及传统冯·诺依曼架构中计算与存储单元的分离,导致了大量数据在搬运过程中功耗增加和时间延迟,致使集成电路以及芯片设计面临越来越多的挑战.这迫切需要开发新型计算范式来应对这种挑战.而基于存算一体架构的神经形态器件,可利用欧姆定律和基尔霍夫定律实现原位计算,从而有望克服传统冯·诺依曼架构瓶颈.通过调节具有“记忆”功能的忆阻器阻值,实现类似生物大脑的人工神经网络,并对复杂网络信号进行处理,例如图像识别、模式分类和决策执行等.二维材料由于其层状超薄特性和新奇的物理效应,为进一步缩小器件尺寸并实现感存算一体提供了方案.本文综述了基于二维材料的神经形态器件中的物理效应和忆阻特性,并详细阐述了神经形态器件对LIF (leaky integrate and fire)模型、Hodgkin-Huxley模型等神经元模型以及长期可塑性、短期可塑性、放电时间依赖可塑性和尖峰频率依赖可塑性的模拟.在此基础上,进一步介绍了基于二维材料的神经形态器件在视觉、听觉以及触觉等领域的探索性应用.最后本文总结了当前研究领域面临的问题以及对未来应用前景的...     

基于库仑阻塞原理的多值存储器

设计了一种基于库仑阻塞原理的新型单电子多值存储器.器件包括两个多隧穿结结构和一个单电子晶体管，其中单电子晶体管起到一个静电计的作用来实现数据的读取.两个隧穿结库仑阻塞区域的大小不同使得器件具有三个稳定的存储状态.利用这个原理可以制备出多值的动态随机存储器和非挥发性的随机存储器.这种低功耗的单电子多值存储器可以实现信息的超高密度存储. 关键词： 库仑阻塞 单电子晶体管     

室温磁性斯格明子材料及其应用研究进展

磁性斯格明子是一种具有涡旋状非共线自旋结构的准粒子,具有独特的拓扑保护特性,可在极低电流驱动下运动,有望在信息技术领域获得广泛应用.从2015年开始,科学家已经发现了多种室温磁性斯格明子材料,例如斯格明子多层膜、人工斯格明子材料、β-Mn型单晶材料、中心对称材料(铁氧体、六方Ni₂In型)等.其中多层膜材料由于其制备工艺简单、可通过调节各膜层厚度优化性能、器件集成度高等优点而备受关注.这些室温磁性斯格明子材料具有涌生电动势、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等特性,有望用来制备多种新型自旋电子器件,例如赛道存储器、微波探测器、纳米振荡器等,其中赛道存储器有望成为下一代非易失性、低能耗和高密度的存储器.本文首先介绍了磁性斯格明子的基本特性,然后综述了近年来室温磁性斯格明子材料的研究进展、制备技术及表征方法,最后简单介绍了用室温磁性斯格明子材料研制赛道存储器、微波探测器等原型器件的研究进展,展望了室温磁性斯格明子材料的未来发展趋势.     

忆阻类脑计算

随着深度学习的高速发展,目前智能算法的飞速更新迭代对硬件算力提出了很高的要求.受限于摩尔定律的告竭以及冯·诺伊曼瓶颈,传统CMOS集成无法满足硬件算力提升的迫切需求.利用新型器件忆阻器构建神经形态计算系统可以实现存算一体,拥有极高的并行度和超低功耗的特点,被认为是解决传统计算机架构瓶颈的有效途径,受到了全世界的广泛关注.本文按照自下而上的顺序,首先综述了主流忆阻器的器件结构、物理机理,并比较分析了它们的性能特性.然后,介绍了近年来忆阻器实现人工神经元和人工突触的进展,包括具体的电路形式和神经形态功能的模拟.接着,综述了无源和有源忆阻阵列的结构形式以及它们在神经形态计算中的应用,具体包括基于神经网络的手写数字和人脸识别等.最后总结了目前忆阻类脑计算从底层到顶层所遇到的挑战,并对该领域后续的发展进行了展望.     

多模式固态量子存储

量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了量子信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件.基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一.本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展.主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储.在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作.该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础,其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.     

量子图像存储

量子通讯的实现离不开量子存储器。量子存储器是一个能够按照需要存储和读出量子态的系统,而被存储的是非经典的量子态,如单光子、纠缠、压缩态等。多模存储能力是衡量量子存储器工作性能的一个重要指标。空间域的多模存储可以极大地减小对存储器存储时间的要求,因此空间多模存储引起了国内外学者的广泛关注,并在近几年取得了许多重要进展。文章简述了量子存储器的主要性质与评价指标,回顾了近年来量子存储的研究进程,特别介绍了量子图像存储方面的最新实验进展。     

多铁性磁电器件研究进展

多铁性材料可以实现力、电、磁等多物理场之间的相互耦合,在小尺寸、快速响应和低功耗的磁电器件领域具有重要的应用前景.在应用需求的推动下,以具有磁电耦合效应的多铁性材料为基础的磁电器件在设计、微纳加工和性能优化等方面的研究取得了持续的进展.本文简要介绍了基于磁电耦合效应的几种原型器件的最新进展,包括可调谐电感、滤波器、磁电存储器、能量回收器、磁电传感器和磁电天线等,分析总结了各种磁电器件的工作原理及其性能表现,讨论了当前多铁性磁电器件研究所面临的问题和挑战,并提出了改进磁电器件性能的研究方向.     

非易失铁电存储器的进展和若干问题

铁电薄膜与半导体集成,产生了新一代非易失存储器。它的功耗之小,写入速度之快,可重写次数之多以及抗辐照能力之强是目前任何一种半导体存储器所不及的。文章介绍了非易失铁电存储器的原理、特点、进展和应用,并讨论了这类存储器在进入大规模商业生产时所面临的若干材料、工艺和器件失效等问题。     

基于二维半导体材料浮栅存储器的研究进展：从材料到结构

半导体浮栅存储器在半导体存储器乃至整个数据存储行业都占据着较大的市场份额，目前在计算机、便携式设备存储器等领域都有广泛应用.随着存储器件进一步小型化和集成化，在未来需要新材料和新结构对浮栅存储器进行革新以延续摩尔定律的发展.具有原子级厚度的二维层状半导体材料具有优异的电学性能和稳定性，被广泛认为是极具潜力的新型半导体材料之一，可用于下一代半导体浮栅存储器.本文主要介绍近年来二维半导体材料在浮栅存储器领域的应用，并对其未来的发展趋势进行了思考和展望.     

神经形态阻变器件在图像处理中的应用

随着搭载于边缘终端上的图像与视频等数据密集型应用的日益增长,基于传统冯·诺依曼架构的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)硬件系统正面临着能耗、速度和尺寸等多方面的挑战.神经形态器件包括具有存算一体特性的电学阻变器件和具有感存算一体特性的光电阻变器件,因其具有与生物神经系统的高相似度,及其高能效、高集成度、宽带宽等优势,在图像处理应用方面展现出巨大发展潜力.这类器件不仅能够用于加速传统图像低阶预处理和高阶处理中的大量运算,且能用于实现仿生物视觉系统的高效图像处理算法.本文介绍了最近的电学及光电神经形态阻变器件,并结合图像处理算法综述了神经形态阻变器件在图像处理方面的硬件实施和挑战,并对其发展前景提出了思考.     

串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

对一款商用串口I2C型铁电存储器进行了⁶⁰Coγ 辐射和退火实验, 研究了铁电存储器的总剂量效应和退火特性. 使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的DC, AC, 功能参数, 分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律. 实验结果表明: 总剂量辐射在器件内产生大量氧化物陷阱电荷, 造成了铁电存储器外围控制电路MOS管阈值向负向漂移, 氧化物陷阱电荷引入附加电场使铁电薄膜受肖特基发射或空间电荷限制电流的作用, 产生辐射感生漏电流. 由于浅能级亚稳态的氧化物陷阱电荷数量上多于深能级氧化物陷阱电荷, 使得器件功能和辐射敏感参数在常温退火过程中快速恢复. 关键词： 铁电存储器 总剂量辐射 退火特性     

第六讲 巨磁电阻效应在信息存储等领域中的应用

用巨磁电阻材料构成磁电子学新器件，已开始在信息存储领域成功地获得了应用，文章介绍了用于计算机硬磁盘驱动器巨磁电阻磁头和巨磁电阻随机存储器，描述了它的工作原理，性能特点及发展趋势，指出巨磁电阻材料在传感器方面的应用也令人瞩目，有着广阔的市场前景。