Een veelbelovende aanpak voor de directe on-chip synthese van boornitride-memristors

Tweedimensionale (2D) materialen, dunne kristallijne stoffen slechts enkele atomen dik, hebben talloze voordelige eigenschappen in vergelijking met hun driedimensionale (3D) bulk-tegenhangers. Het meest opvallend is dat veel van deze materialen waardoor elektriciteit er gemakkelijker doorheen stroomt dan bulkmaterialen, instelbare bandgaps hebben, vaak ook flexibeler en beter geschikt zijn voor het fabriceren van kleine, compacte apparaten.

Eerdere studies hebben de belofte van 2D-materialen benadrukt voor het creëren van geavanceerde systemen, waaronder apparaten die berekeningen uitvoeren die het functioneren van de hersenen (dwz neuromorfe computersystemen) en chips die zowel informatie kunnen verwerken als opslaan (dwz in-memory computing-systemen). Een materiaal dat bijzonder veelbelovend is gebleken, is zeshoekige boornitride (HBN), dat bestaat uit boor- en stikstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster dat lijkt op dat van grafeen.

Dit materiaal is een uitstekende isolator, heeft een brede bandgap die het transparant maakt voor zichtbaar licht, een goede mechanische sterkte, en behoudt zijn prestaties bij hoge temperaturen. Eerdere studies hebben het potentieel van HBN aangetoond voor het fabriceren van memristors, elektronische componenten die zowel informatie kunnen opslaan als verwerken, zowel als herinneringen als als weerstanden kunnen werken (dwz componenten die de stroom van elektrische stroom in elektronische apparaten regelen).

Hoewel op HBN gebaseerde memristors opmerkelijk goed kunnen presteren, is het integreren van ze met bestaande siliciumgebaseerde complementaire metaal-oxide-oxide-halfgeleider (CMOS) -technologie een uitdaging gebleken. De meeste voorgestelde integratiemethoden zijn ofwel te duur om op grote schaal te worden geïmplementeerd of geen betrouwbaar defectvrije apparaten op te leveren.

Onderzoekers van de Arizona State University, King Abdullah University of Science and Technology (Kaust) en andere instituten hebben onlangs een nieuwe schaalbare strategie bedacht om HBN-films te laten groeien bij CMOS-compatibele temperaturen en memristors realiseren die compatibel zijn met bestaande elektronica. Hun voorgestelde aanpak, gepubliceerd in Natuurnanotechnologievertrouwt op een techniek die bekend staat als elektronencyclotron resonantie plasma-verbeterde chemische dampafzetting (ECR-PECVD).

“Hexagonale boornitride (HBN) is bijzonder aantrekkelijk voor niet-vluchtige resistieve schakelapparaten (dat wil zeggen memristors) vanwege de uitstekende elektronische, mechanische en chemische stabiliteit”, schreef Jing Xie, Ali Ebadi Yekta en hun collega’s in hun paper. “Het integreren van HBN-memristors met SI-CMOS-elektronica wordt echter geconfronteerd met uitdagingen, omdat het ofwel hoge-temperatuursynthese (overschrijdende thermische budgetten) of overdrachtsmethoden vereist die defecten introduceren, die de prestaties en de betrouwbaarheid van het apparaat beïnvloeden.

“We introduceren de synthese van HBN-films bij CMOS-compatibele temperaturen (<380 ° C) met behulp van elektronencyclotron resonantie plasma-verbeterde chemische dampafzetting om overdrachtsvrije, CMOS-compatibele HBN-memristors te realiseren met uitstekende elektrische kenmerken."

Met behulp van hun voorgestelde strategie kunnen de onderzoekers HBN rechtstreeks op wafels storten, zonder ze over te dragen. De films die ze creëerden waren zeer uniform over grote gebieden en bestonden uit veel kristallen (dwz polykristallijn).

“Onze studies duiden op een polykristallijne structuur met turbostratische kenmerken in als afgezette HBN-films en goede uniformiteit op wafelniveau in morfologie (grootte, vorm en oriëntatie)”, schreef Xie, Yekta en hun collega’s. “We demonstreren een groot scala aan HBN-memristors die een hoge opbrengst behalen (~ 90%), stabiliteit (uithoudingsvermogen, retentie en herhaalbaarheid), programmeerprecisie voor multistate werking (> 16 staten) en laagfrequente geluidsprestaties met minimale willekeurige telegrafische ruis.”

Met behulp van de op HBN gebaseerde films die ze hebben gemaakt, creëerden de onderzoekers een groot aantal memristors die werden gevonden om opmerkelijk goed te presteren, waardoor hun prestaties in de loop van de tijd werden behouden. Bovendien hebben ze de memristors met succes geïntegreerd met bestaande CMOS -technologie.

“We integreren direct memristieve apparaten op industriële CMOS -testvoertuigen om uitstekend uithoudingsvermogen aan te tonen, waardoor miljoenen programmeercycli met een hoog technologisch gereedheidsniveau worden bereikt”, schreven de auteurs. “Dit vormt een belangrijke stap in de richting van de CMOS-integratie op Wafer-schaal van op HBN-Memristor gebaseerde elektronica.”

In de toekomst zou deze voorgestelde strategie kunnen bijdragen aan de integratie van memristors op basis van HBN of mogelijk ook andere 2D-materialen met op CMOS gebaseerde elektronica. Bovendien zou hun werk andere onderzoeksgroepen kunnen inspireren om vergelijkbare strategieën te bedenken voor de betrouwbare synthese van kwaliteit van kwaliteit 2D.