可重构二元与三元逻辑器件：实现逻辑状态调制的突破性进展

研究人员针对传统布尔计算在晶体管尺寸逼近物理极限时的效率瓶颈，开发了一种基于非对称双栅极IGZO通道的可重构二元-三元逻辑晶体管。该器件通过调控控制栅极电压(VCG)实现阈值电压(VTH)和关断电流(Ioff)的精确控制，输出稳定的低/中/高三态电流，并成功构建了可调参数的可重构逻辑逆变器，为多值逻辑(MVL)系统提供了可靠解决方案。

　　

随着人工智能技术的迅猛发展，传统基于二进制逻辑的电子器件正面临物理极限的挑战。当晶体管尺寸缩小至纳米级别时，量子效应和热耗散等问题日益凸显，亟需突破传统布尔计算的范式。多值逻辑(MVL)系统因其能通过增加逻辑状态数量来提升数据处理效率而备受关注，特别是三元逻辑系统可减少64%的互连线路和63.1%的总成本。然而现有技术如负微分跨导(NDT)和负微分电阻(NDR)器件存在中间态不稳定、导通/关断比不平衡等问题，严重制约了实际应用。

针对这一技术瓶颈，韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的Yonghyun Albert Kwon、Jeong Ho Cho团队与延世大学（Yonsei University）的Seung Woo Lee合作，在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们开发出基于铟镓锌氧化物(IGZO)通道的可重构二元-三元逻辑晶体管，通过创新性的非对称双栅极结构实现了逻辑状态的动态调制。该器件采用高电容SiO₂和低电容聚酰亚胺(6FDA-Ph-NO₂Bz)复合介电层，当控制栅极电压(V_CG)为0V时表现为标准二元晶体管，施加正V_CG后可重构为具有稳定中间态的三元器件。

研究团队主要采用以下关键技术：1）射频磁控溅射制备图案化IGZO通道；2）非对称双栅极结构集成高/低电容介电层；3）控制栅极电压调控阈值电压偏移(ΔV_TH)；4）串联通道设计实现三态电流输出；5）24 MΩ电阻负载构建逻辑逆变器。

结果部分核心发现：

可调控阈值电压与关断电流
通过双栅极非对称介电层设计，底部栅极(SiO₂)在负V_G下可实现通道完全耗尽（I_off=1.49×10^-10A），而顶部栅极(聚酰亚胺)因电容不足仅能部分耗尽（I_off=5.23×10^-7A）。施加正V_CG可使V_TH线性负移（ΔV_TH=-C_top·V_top/C_bottom），通道厚度实验证实5.2nm薄层可实现完全耗尽。

介电电容效应
比较6FDA-Ph-NO₂Bz(12.4nF/cm²)、DSDA-HAB-NO₂Bz(9.0nF/cm²)和PMMA(3.4nF/cm²)三种介电材料，发现高电容介电层产生更大V_TH偏移，而低电容介电层导致更高I_off。

可重构逻辑操作
固定V_CG,bottom=1V时，调节V_CG,top从12V降至0V可使中间态电压窗口从4.3V收缩至消失；固定V_CG,top=10V时，V_CG,bottom从0V增至2.5V可使中间态电流从0.22V提升至0.91V。构建的逆变器在10⁴Hz频率下仍保持稳定三态输出。

这项研究通过创新的非对称双栅极结构，首次实现了中间态电压窗口和电流水平的独立调控，解决了传统MVL器件中间态不稳定的核心难题。其重要意义在于：1）为后摩尔时代电子器件设计提供新范式；2）通过单一器件重构实现二元/三元逻辑切换，大幅提升芯片面积利用率；3）采用溶液法制备有机介电层，兼容柔性电子发展方向。该技术有望推动人工智能硬件在边缘计算、物联网等领域的应用突破。