Электрон

Jun 09, 2023

npj 2D Materials and Applications, том 5, номер статьи: 1 (2021 г.) Цитировать эту статью

4862 Доступа

53 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Современные мемристоры в основном имеют вертикальную структуру металл-изолятор-металл (MIM), которая основана на формировании проводящих нитей для резистивного переключения (RS). Однако из-за стохастического формирования нити напряжением установки/сброса вертикальных мемристоров MIM трудно управлять, что приводит к плохой временной и пространственной однородности переключения. Здесь реализован двухполюсный латеральный мемристор на основе дисульфида рения (ReS2), облученного электронным лучом, который раскрывает механизм резистивного переключения, основанный на модуляции высоты барьера Шоттки (SBH). Устройства демонстрируют стабильную плавную характеристику RS без образования форм и одновременно обеспечивают небольшое изменение переходного напряжения во время положительной и отрицательной развертки (6,3%/5,3%). РС объясняется движением вакансий серы, вызванным напряжением смещения в устройстве, которое модулирует SBH ReS2/металл. Постепенная модуляция SBH стабилизирует временные изменения в отличие от резкого RS в мемристорах на основе MIM. Кроме того, с помощью устройства демонстрируется эмуляция долгосрочной синаптической пластичности биологических синапсов, проявляя его потенциал в качестве искусственного синапса для энергоэффективных нейроморфных вычислительных приложений.

Мемристоры широко исследовались и считаются одними из кандидатов в искусственные синапсы для нейроморфных вычислений1,2,3,4,5,6. Среди этих мемристоров механизмы переключения в первую очередь основаны на образовании проводящих нитей в изолирующих слоях, такие как механизм изменения валентности (VCM) и электрохимическая металлизация (ECM)7. Для устройств на основе VCM изменение проводимости вызвано миграцией вакансионных анионов, таких как кислородные вакансии8,9,10,11. Однако из-за случайного распределения анионов вакансий в изоляторе образование анионной нити является стохастическим процессом7,12,13. Резистивное переключение (РС) устройств ЭЦМ вызвано движением и металлизацией активных катионов электродных металлов, таких как Ag+ (ссылки 14,15,16). Однако такие высокоподвижные катионы металлов трудно контролировать на этапах гальванопластики из-за стохастичности пути миграции этих катионов7,13,17. Таким образом, как для устройств на основе VCM, так и для устройств на основе ECM, временные изменения (от цикла к циклу) неизбежны из-за случайного образования и разрыва проводящих нитей. Чтобы решить эту проблему, Choi et al. продемонстрировали эпитаксиальную оперативную память (epiRAM) на основе монокристаллического SiGe18. В epiRAM удалось добиться небольшого изменения установленного напряжения за счет удержания нитей Ag и точного контроля плотности дислокаций. Однако устройство по-прежнему не может избежать временных изменений во время искоренения нити. Таким образом, поиск ненитевидного механизма переключения важен для контроля изменений от цикла к циклу. Кроме того, температура выращивания высокомолекулярной лучевой эпитаксии (МЛЭ) не подходит для интеграции такого эпиРАМ с технологией комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП)14. С точки зрения совместимости с исходными данными (BEOL), двумерные (2D) материалы становятся альтернативным выбором благодаря развитию низкотемпературного выращивания 2D-материалов методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и крупномасштабных 2D-материалов. трансферная технология19,20,21,22,23.

Было продемонстрировано множество вертикальных мемристоров на основе 2D-материалов и их производных. Некоторые из этих переключающих слоев изготовлены из чистых двумерных материалов (например, MoS2, hBN, WSe2), а механизмы переключения основаны на собственных дефектах материалов (например, вакансии серы и вакансии бора) и образовании активной металлической нити (например, Ag, Ti и Cu)24,25,26,27. В этих устройствах имитируется как краткосрочная, так и долгосрочная синаптическая пластичность24,25. Более того, сообщается, что вертикальные мемристоры на основе производных 2D-материалов (например, MoOx/MoS2, WOx/WSe2) имеют низкое напряжение переключения из-за тонкой толщины окислительного слоя28,29. Такие вертикальные мемристоры подходят для масштабирования устройств, обеспечивая интеграцию массивов высокой плотности30,31. Кроме того, по сравнению с латеральными мемристорами, вертикальные мемристоры показывают меньшее установленное напряжение из-за более тонкого переключающего слоя2,15,28. Однако их двухконцевая структура не подходит для эмуляции многоконцевых биосинапсов. По сравнению с вертикальными мемристорами, латеральные мемристоры более универсальны для создания многотерминального мемристора за счет добавления большего количества электродов32,33. Недавно сообщалось о латеральных мемристивных устройствах на основе MoS2, которые основывались на движении серных вакансий, вызванном смещением напряжения, и модуляции высоты барьера Шоттки (SBH) в областях контакта металл/MoS232,34,35. Такая схема переключения отличает эти мемристоры от нитевых мемристоров и может уменьшить вариации, вызванные стохастическим процессом формирования нитей. Более того, поиск новых материалов, в которых легче создавать вакансии серы, может улучшить характеристики переключения. Дисульфид рения (ReS2), тип двумерного материала со слабой межслоевой связью, мягкими ковалентными связями Re-S и низкой энергией образования вакансий серы, может испытывать более очевидное движение вакансий серы под воздействием внешнего смещения36,37,38.