《SCIENCE ADVANCES》：Repurposing Si CMOS nonidealities for stochastic and analog image processing
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本文聚焦“后摩尔时代”下传统CMOS技术面临的挑战，探索利用其本征非理想特性构建新型计算范式。研究人员开创性地将全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）晶体管中的深能级陷阱噪声（G-R noise）与负微分电阻（NDR）效应从“可靠性问题”转变为“功能资源”，实现了在同一器件中仅通过偏置电压重配置即可完成图像的随机加密、确定性读出和模拟反相。这项工作揭示了成熟硅工艺中蕴含的、此前未被认识的计算潜力，为基于现有成熟半导体技术构建下一代节能型模拟计算系统提供了新路径。
进入后摩尔时代，追求摩尔定律的传统半导体器件缩放之路正面临物理极限与经济成本的严峻挑战。为此，研究者们纷纷将目光投向由新型材料（如二维材料、钙钛矿氧化物等）构建的“超越摩尔”计算架构，例如内存计算与神经形态计算。然而，这些方案常面临与成熟硅工艺集成困难、大规模制造一致性不佳等难题。与此同时，一个并行的思路正在兴起：我们能否“变废为宝”，将那些在追求高可靠性、高性能逻辑运算的传统CMOS技术中被视为有害的“非理想”器件特性，转化为实现新功能的宝贵资源？历史上，诸如热载流子注入、栅氧化层隧穿等现象就曾从退化机制“转行”成为闪存编程与擦除的操作基础。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究，正是沿着这一思路的深入探索。研究人员将注意力集中到了成熟的硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）技术上，特别是全耗尽绝缘体上硅（FD-SOI）晶体管，并巧妙利用其中两种长期被忽视的“缺陷”——低频噪声和负微分电阻，构建了一个在单器件层面即可执行多功能模拟图像处理的创新平台。
作者们主要运用了以下几种关键技术方法：首先，采用工业界标准的80纳米CMOS工艺节点，在12英寸晶圆上制造了FD-SOI晶体管阵列，确保了技术的成熟度与可扩展性。其次，通过精密的半导体参数分析仪（Agilent B1500A）结合低噪声电流放大器（SR570）和信号分析仪（35670A）构成的测量系统，对器件的低频噪声、传输特性和体电流进行了系统表征，并进行了功率谱密度分析以区分不同的噪声机制。第三，利用基于测量的伪阵列生成和关联感知蒙特卡洛模拟方法，对大规模的图像处理功能进行了仿真验证，而非直接物理连接成千上万个晶体管。最后，他们还通过技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，对比分析了FD-SOI与体硅MOSFET在负微分电阻行为上的物理机制差异。
RESULTS
Electrical and intrinsic nonideal characteristics in FD-SOI
研究人员对商业代工厂使用80纳米CMOS技术节点制造的FD-SOI晶体管进行了电学表征。结果表明，在标准偏置下，其漏极电流表现出常规的单调增长与饱和特性。然而，体电流随栅压的变化则展现出显著的非线性，特别是在高漏压下出现了明显的负微分电阻行为，其峰值-谷值电流比平均高达2.78 × 104，且该现象在120个被测器件中具有良好的一致性与鲁棒性。同时，时间域的漏极电流波动分析揭示，在低电流偏置下存在显著的随机波动，这种波动随偏置或温度升高而减弱。功率谱密度分析进一步表明，该噪声并非传统的1/f噪声，而是一种具有洛伦兹谱特征的产生-复合（G-R）噪声，源自硅沟道中的深能级陷阱。
Analysis of LFN characteristics
深入的低频噪声分析揭示，FD-SOI器件中存在两种共存但机制不同的噪声源。一种是众所周知的由栅介质中缺陷的俘获/去俘获过程引起的载流子数涨落噪声，表现为1/f频谱。另一种则是由硅沟道内深能级缺陷的产生-复合过程引起的G-R噪声，表现为具有特定拐角频率的洛伦兹型平台。通过温度依赖性分析，研究人员成功区分了这两种噪声：G-R噪声的幅度随温度升高而衰减，其拐角频率向高频移动；而载流子数涨落噪声则基本与温度无关。从G-R噪声的阿伦尼乌斯图中，他们提取了陷阱的激活能为0.4348 eV，俘获截面为2.13 × 10?18cm2。与基于非晶铟镓锌氧化物、二维材料等新兴半导体平台的器件相比，本研究中的FD-SOI器件展现了更低的陷阱体密度，突显了其优异的界面与介质质量。
Investigation of NDR characteristics
研究人员将体电流的负微分电阻行为划分为三个区域进行机理阐释：在区域I，体电流主要由栅致漏极泄漏电流主导，源于漏极-体区重叠区域的带间隧穿。在区域II，即亚阈值区，随着栅压升高，横向电场增强导致沟道发生碰撞电离，电子-空穴对大量产生，体电流急剧上升，标志着负微分电阻的开始。在区域III，强反型降低了沟道电阻，反而抑制了碰撞电离过程，导致体电流随栅压增加而下降，从而形成了完整的负微分电阻波形。TCAD仿真对比证实，得益于更好的栅控能力和更陡的亚阈值摆幅，FD-SOI结构相比体硅MOSFET能在更低的栅压下实现更显著的负微分电阻效应。与基于同质结、一维材料、有机材料或二维材料等其他技术实现的负微分电阻器件相比，本工作中基于成熟CMOS工艺的FD-SOI器件在峰值-谷值电流比这一关键指标上达到了最高水平，且工作电压更低，展现出卓越的集成潜力与能效优势。
Image processing
最终，研究人员将上述两种非理想特性应用于图像处理功能演示。他们证明了仅需一个标准的FD-SOI晶体管，通过简单地调整偏置条件，就能在单器件层面实现三种关键的图像处理操作：1）随机加密：在低栅压（~0.5-0.65 V）下，利用深能级陷阱引起的G-R噪声对漏极电流的强烈随机调制，将输入的图像像素灰度映射为高度随机的电流输出，从而生成无法辨识原图的加密图像。2）确定性读出：在中等栅压（~1.0-1.7 V）下，器件进入低噪声的线性工作区，漏极电流与栅压呈稳定的单调关系，从而能够高保真地重建原始图像。3）模拟反相：在高漏压下利用体电流的负微分电阻特性，其电流-电压关系本身具有负斜率，能够直接将输入像素的灰度值进行反转，实现无需外部模拟反相电路的图像负片效果。通过基于实测器件统计数据的伪阵列仿真，他们在28×28和64×64像素的图像上成功演示了这些功能。
DISCUSSION
总结而言，这项研究展示了一种重新利用成熟CMOS技术中传统上被视为不良特性的非理想性（低频噪声和负微分电阻）来实现高级模拟与随机计算的新方法。通过将这些特性重新诠释为功能资源，研究团队在单晶体管框架内成功实现了随机加密、稳定读出和模拟反相等多功能图像处理操作。这项工作揭示了成熟硅技术平台中尚未被充分挖掘的潜力，并为解决新兴材料在可扩展集成和工艺均一性方面面临的挑战提供了一个有吸引力的替代方案。最终，本研究倡导一种范式转变：通过接纳并重新利用器件固有的行为特性，下一代计算技术可以利用现有的、经过商业验证的半导体工艺来实现，从而弥合当今成熟技术与未来计算需求之间的鸿沟。
