Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой категорию устройств, способных сохранять свое внутреннее сопротивление и тем самым обеспечивать более высокую производительность по сравнению с обычными устройствами, использующими интегральные схемы. Для производства этих устройств было изучено несколько материалов.

В последние годы широкую популярность для этих целей постепенно приобретают оксиды переходных металлов.

В связи с их растущим применением в различных областях, таких как системы искусственного интеллекта, мемристивные устройства должны преодолеть ряд проблем, связанных с хранением данных, выносливостью и большим количеством состояний проводимости. Кроме того, самостоятельное изготовление таких устройств требует много времени. В результате необходимо решить несколько проблем, чтобы повысить их производительность и надежность.

В недавнем исследовании, проведенном под руководством профессора Мин Кю Яна из Университета Сахмёк (Корея), ученые разработали тонкую пленку халькогенида серебра (Ag)-дисперсного типа для использования в качестве материала, переключающего сопротивление в мемристивных устройствах. Их работа была размещена в Интернете 27 октября 2023 года и опубликована в журнале Applied Surface Science 30 января 2024 года.

Предложенная тонкая пленка обеспечивает «безэлектроформовочный» процесс (не требует электрического тока, чтобы вызвать химические изменения перед изготовлением или эксплуатацией), позволяя работать с низким энергопотреблением за счет формирования активного слоя.

Профессор Янг отмечает:

Наше диффузионное мемристивное устройство на основе Ag в тонкой пленке халькогенида демонстрирует низкое энергопотребление и имитирует параллельную обработку данных человеческим мозгом. Это делает его пригодным для реализации в массивах перекрестных полос, и оно достигло ~92% скорости распознавания в базе данных MNIST (модифицированный Национальный институт стандартов и технологий) для распознавания рукописных цифр.

В этом исследовании ученые использовали множество спектроскопических методов для определения характеристик материала пленки, включая просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, электронную спектроскопию Оже и спектроскопию обратного рассеяния Резерфорда. Команда также проанализировала различные электроды и слои резистивного переключения, чтобы выявить значительную роль атома Ag.

Устройство продемонстрировало сохранение состояния и надежную работу даже в сложных условиях при температуре 85 ℃ в течение 2 часов. Таким образом, данное исследование подчеркивает способность халькогенидных материалов повышать производительность мемристивных устройств.

Ожидается, что данная технология позволит решить проблему увеличения объема памяти полупроводников для приложений, связанных с большими данными, где единица хранения в терабайт уже считается недостаточной. Однако при этом возникает проблема управления большим объемом чипов. Поэтому в настоящее время разрабатывается «нейроморфный чип» как полупроводник нового поколения для систем искусственного интеллекта. Эти чипы должны обладать такими характеристиками, как низкое энергопотребление, компактный размер и способность анализировать модели поведения человека.

Использование диффузионных структур мемристивных устройств на основе Ag может привести к созданию нейроморфных чипов, которые найдут широкое применение на рынках Четвертой промышленной революции, включая анализ данных, распознавание речи, распознавание лиц, автономные транспортные средства и Интернет вещей, а также внесут свой вклад в революцию связи 5G, — считает профессор Ян.

В перспективе энергопотребление этих мемристорных устройств может найти применение в моделировании биологических синапсов в человеческом мозге. Благодаря отсутствию электроформования и низкому энергопотреблению они являются перспективными кандидатами на создание энергонезависимой памяти и искусственных синаптических устройств в будущем.

15.01.2024