复旦大学Device：用于可重构逻辑与整流电路的高性能双端离子同质结

低维 昂维 低维 昂维 2025年3月10日 11:55 

[研究背景]

随着人工智能、物联网和高性能计算等技术的快速发展，传统硅基集成电路的尺寸缩小已接近物理极限。为了满足日益增长的信息与数据处理需求，研究人员正在探索基于新原理和新结构的电子器件。其中，可重构电子器件能够根据需求改变功能或操作模式，减少对多个专用器件的依赖，从而实现更高效的资源利用。然而，实现可重构的传统方式，如基于外加栅极电场来调控沟道载流子类型，往往会导致器件结构的复杂化，从而增加制造难度和功耗。因此，如何在最简单的双端结构中实现高性能可重构的pn结特性，仍然是一个巨大挑战。

[成果介绍]

基于以上背景，复旦大学光电研究院/材料科学系褚君浩院士-黄海青年研究员团队进一步挖掘了二维离子导电体 CuInP₂S₆（CIPS）内部的离子导电行为，成功研制出一种高性能、可用于逻辑电路与整流电路的可重构器件。相关成果发表于Device期刊，论文题目为 'Reconfigurable Logic Circuits and Rectifier Based on Two-Terminal Ionic Homojunctions'。

本研究利用CIPS材料的面内离子导电特性，通过调控Cu离子的迁移来调节沟道接触势垒，形成非对称的同质结。能谱分析（EDS）结果表明，在电场作用下，Cu离子在CIPS材料内发生可逆迁移，并在一端电极区域聚集。开尔文探针力显微镜（KPFM）进一步研究了CIPS同质结的可重构整流行为机制。结果表明，Cu离子的迁移改变了CIPS材料的表面接触电势，进而调节金属-半导体接触势垒，实现单极导电行为。变温实验揭示了CIPS材料的离子导电性与整流性能的温度依赖关系。实验结果表明通过Cu离子迁移来调控接触电势是其具有可重构的关键机制。这为CIPS同质结的电子性能调控提供了新的理解，基于这一机制，器件展现出显著的性能优势：

·可重构高整流比：可达4 × 10⁴，并且具有多态存储特性；

·超低泄漏电流：低至100 fA，减少了功耗；

·良好的循环和保持特性：稳定循环寿命：在3,000次脉冲读取和10,000 s偏压读取后仍能保持稳定的电学特性；

·超高反向击穿电压：可达170 V，适用于稳压电路应用场景；

·高频操作能力：可在10 kHz频率下可靠运行，满足高速电子电路需求。

此外，CIPS同质结在整流电路和可重构逻辑电路中的应用展现了其多功能性。在整流电路中，CIPS同质结能够高效地实现AC到DC信号转换。通过改变CIPS同质结的极性，在100 Hz到10 kHz频率范围内仍能稳定地进行半波整流。实验表明，CIPS同质结的截止频率超过了10 kHz，适用于高频信号处理和电力转换领域。在逻辑电路方面，CIPS同质结实现了OR和AND逻辑的切换，只需两个串联的器件。通过改变器件的整流极性，无需改变输入电路连接，便切换逻辑功能。这种可重构性使得CIPS同质结在智能电路和集成度要求高的电子设备中具有广泛应用前景。总的来说，CIPS同质结为未来的高集成可重构和智能计算设备提供了强大的支持。

图文导读    

图1. CIPS同质结的结构与表征          

图2. 可重构CIPS同质结的机理研究

图3. 可重构CIPS同质结的性能

图4. CIPS同质结在可重构光伏器件和整流电路中的应用

图5. 基于CIPS同质结的可重构逻辑电路    

文献信息 

Reconfigurable logic circuits and rectifier based on two-terminal ionic homojunctions （Device, 2025, DOI:10.1016/j.device.2025.100712) 

文献链接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(25)00025-0