В статье я рассмотрю современные направления в исследованиях для оптоэлектронного мемристора (OEM). Итак, причины поиска новых элементов для микроэлектроники и новых архитектур для вычислений уже описаны в нескольких статьях на Хабре. В общем причины сводятся к потребности в более быстром, миниатюрном, энергоэкономном решении для вычислений. Один из вариантов сделать быстрее и энергоэкономнее — это использовать мемристоры.
Нейроморфные вычисления, основанные на устройствах резистивного переключения (RS), или мемристорах — это технология, вдохновленная мозгом, которая стала жизнеспособной альтернативой со сверхнизким энергопотреблением. В этой технологии обработка информации выполняется непосредственно в элементе памяти, что предотвращает перемешивание данных и, следовательно, обеспечивает экономичные и энергоэффективные вычисления в памяти в реальном времени.
Мемристор представляет собой нелинейный резистор, обычно состоящий из структуры металл-оксид-металл, в которой металлические слои составляют электроды, а оксидная пленка называется активным слоем. Как правило, эти устройства изготавливаются в виде вертикального стека, что позволяет еще больше миниатюризировать их по сравнению с такими технологиями, как статическая оперативная память (SRAM), динамическая оперативная память (DRAM) или флэш-память, о чем свидетельствует самое маленькое устройство площадью Оксидные полупроводники могут обеспечить дополнительные преимущества в качестве активного слоя на мемристорах. В частности, аморфные оксидные полупроводники (AOS), такие как IGZO или ZTO, обладают высокой гибкостью из-за отсутствия границ зерен, что обеспечивает низкие температуры обработки. ZnO был самым популярным материалом в качестве коммутационной среды для OE-устройств. Используя Pt и ITO в качестве нижнего и верхнего контактов, Xie и др. показали снижение VSet и VReset при УФ-излучении для более эффективного энергопотребления. В этих устройствах присутствовал эффект PPC, поскольку изменение поведения RS наблюдалось даже после выключения УФ-излучения, что означает, что элемент можно было использовать в ANN (искусственных нейронных сетях). Yang J и др. разработали полупрозрачный OEM ZnO с Pt и Au в качестве электродов, который может выполнять как установку, так и сброс с оптическими входами, структура которого показана на fig. 2(a). В частности, Yang J и его коллеги показали, что набор может быть вызван УФ, синим или зеленым облучением с характеристиками PPC, демонстрируя работу MLC. УФ-облучение привело к максимальному увеличению тока с отношением ILRS/IHRS ≈104 . Тем не менее, менее энергичные длины волн, такие как зеленый свет, также могут вызывать достаточно высокое отношение ILRS/IHRS, равное ≈102, как видно на fig. 2(b). Например, гетероструктура из нанолистов MoSe2/Bi2Se3 была встроена в пленку полиметилметакрилата (PMMA) для формирования активного слоя на устройстве, которое показывало сброс в ближнем ИК-свете. PMMA был включен в активный слой для пассивации состояний ловушек на MoSe2/Bi2Se3. Полная структура устройства показана на fig. 3(a). Мемристор показал резкое поведение RS, связанное с джоулевым нагревом, спровоцированным образованием/разрушением металлических CF (проводящих нитей). Авторы объяснили, что ИК-свет облегчит разрыв и предотвратит создание CF, поскольку кластеры Ag будут реагировать с фотогенерированными дырками и снова окисляться до Ag+. На графике fig. 3(b) текущее состояние устройства при многократном воздействии может быть оценено во времени. Видно, что ток снижается до полного HRS только при освещении в ближней ИК-области и при электрическом сбросе. Еще одна стратегия создания OEM заключается в использовании материалов с одномерной структурой, таких как NR или NP (fig. 4(a)), для повышения производительности. По сравнению с тонкими пленками наноструктуры обеспечивают более высокое отношение площади поверхности к объему и больший сбор фотонов, что в конечном итоге приводит к улучшенной фотопроводимости с сильно локализованным RS. Другим важным преимуществом является возможность миниатюризации, поскольку эти наноструктуры обычно могут быть получены восходящим подходом, позволяющим строго контролировать размеры структур. Первый отчет об ОЕМ с одномерной структурой датируется 2012 годом. Park и др. сообщили об устройстве на основе ZnO NR с FTO и Au в качестве электродов. Демонстрируя резкое поведение, RS наблюдался только при освещении устройства ксеноновым источником света и был приписан образованию/разрыву филамента кислородных вакансий. В темноте молекулы кислорода будут хемосорбироваться на поверхности NR ZnO, действуя как источник кислорода и препятствуя образованию филамента кислородных вакансий. При облучении светом будут созданы электронно-дырочные пары, и дырки будут объединяться с ионами кислорода, адсорбированными на ZnO, что позволит создать CF. Таким образом, мы познакомились с некоторыми примерами в современных направлениях в исследовании неорганических оптоэлектронных мемристоров. С точки зрения материалов, OEM на основе оксидов металлов и 2D-материалов в основном демонстрируют резкое RS, подходящее для вычислений в памяти в логических элементах или DNN (глубоких нейронных сетях). ИК-излучение используется для перезагрузки, что очень удобно для беспроводных систем, позволяющее преобразовывать и хранить ИК-данные. Полупроводниковые оксиды и материалы с одномерной структурой, используемые в качестве активного слоя, позволят реализовать полностью фотонные устройства, в которых как установка, так и сброс будут индуцироваться световыми длинами волн разной длины. Источник: Recent progress in optoelectronic memristors for neuromorphic
2) Из оксидных полупроводников
3) Из 2D-материалов
4) Из материалов с одномерной структурой
and in-memory computation (Maria Elias Pereira, Rodrigo Martins, Elvira Fortunato, Pedro Barquinha and Asal Kiazadeh, 2023)
