王以林 (教授)

教授 博士生导师 硕士生导师

性别:男

毕业院校:中国科学院物理研究所

学历:研究生(博士)毕业

学位:博士

在职信息:在职

所在单位:集成电路学院

入职时间:2018-10-18

办公地点:山东大学软件园校区微电子学院教研楼3B 309

电子邮箱:yilinwang@email.sdu.edu.cn

   
当前位置: 中文主页 >> 科学研究

  • 低维功能材料和器件

    集成电路是支撑信息产业发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。在硅基集成电路达到极限尺寸之际,半导体器件面临着短沟道效应、漏电流增大、功耗增大等挑战,摩尔定律越来越难以持续,集成电路产业已进入后摩尔时代。新材料、新原理、新结构、新器件和新架构的颠覆性技术将成为后摩尔时代集成电路产业的主要选择。氧化物/二维半导体、铁磁/铁电、量子霍尔等新材料支撑新功能与新原理器件,异质异构与单片三维系统集成突破平面集成限制,实现集成度与性能提升。本课题组关注支撑后摩尔时代集成电路产业发展的新材料、新原理及新器件。

    (1) 自旋电子学-磁性随机存储器(MRAM)

    电子具有电荷和自旋两个内禀属性。人们调控电子的电荷属性,发展了以半导体为基础的微电子学。以电子电荷自由度为基础的集成电路进一步提高集成度和性能的成本非常高,而且受传统冯·诺依曼架构下“存储墙”和“功耗墙”的限制,无法满足大数据、人工智能、物联网等信息产业对高性能器件的需求。利用电子的自旋属性进行信息存储、传递与处理所开发的新型自旋电子学器件,具有非易失性、存储密度高、能耗低和响应快等优点,有望突破上述瓶颈,成为后摩尔时代集成电路领域的关键技术之一。基于磁隧道结(MTJ)的磁性随机存储器(MRAM)在速度、耐久性、功耗等方面具有不可替代的优越性,在新型的“存算一体”架构中具有非常重要的作用。磁性材料及其物态调控是自旋电子器件的基础。近年来新发现的二维磁性材料在临界温度下在单原胞层厚度依然具有长程磁序,且层间以弱的范德瓦尔斯作用力结合,具有原子尺度的多场物性调控能力及高密度异质集成潜力,为研发新一代信息存储与逻辑器件提供了重要机遇,成为当前凝聚态物理、材料科学、信息科学等领域研究的前沿和热点,而且受到三星、台积电等集成电路领军企业的广泛重视。2022年发表于Nature的综述文章[1]指出全二维材料构筑的MTJ有望突破传统材料MTJ的极限(特征尺寸< 20 nm),进一步推动超低功耗、超高密度磁存储技术的发展。

    我们关注1)新材料,包括二维磁性材料和拓扑量子材料,调控其内禀属性并开发新型自旋电子学器件;2)利用自旋轨道转矩( SOT )效应进行磁化操纵,完成信息的写入与存储,开发读写速度快、功耗低的磁存储器件(SOT-MRAM);3)利用磁振子作为信息载体或翻转磁性单元,实现低功耗信息存储和逻辑运算;4)实现基于SOT-MRAM的“存算一体”逻辑运算。


    图片21.jpg

    (2) 二维材料集成电路

    石墨烯的发现开辟了一个二维晶体材料研究的崭新领域,其发现者Geim教授和Novoselov教授也由此获得2010年诺贝尔物理学奖。二维晶体材料通常是由单原子层或几个原子层组成,层内以强的共价键或离子键结合,而层与层之间依靠弱的范德瓦尔斯力堆叠。二维材料家族不断壮大,具有各种新奇的物理效应,如金属性、半导体性、绝缘性、拓扑性、磁性、超导性等,为基础研究和器件应用都提供了新的机遇。将不同性质的二维材料像搭积木一样以特定顺序堆叠在一起,形成范德瓦尔斯异质结,其在未来拥有无限的潜力和可能性。二维材料晶体管已经表现出超越硅基晶体管的巨大潜力,最新的国际器件与系统发展路线(IRDS)就指出,具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有着巨大的潜力

    我们关注过渡金属化合物(如MoS2MoTe2WTe2等)、二维磁性材料(如CrI3Cr2Ge2Te6Fe3GeTe2等)、拓扑绝缘体(如Bi2Se3Sb2Te3等),利用场效应、掺杂、界面工程等手段调控二维材料及其异质结中的电荷、自旋以及轨道,研究其中的新奇物理现象,探索其在集成电路中的应用。

    图片22.jpg