Использование протонов приведет к созданию нейроморфных чипов

Подход, основанный на использовании протонов и обеспечивающий множественные фазовые переходы в сегнетоэлектрических материалах, может помочь в разработке высокопроизводительных устройств памяти, таких как вычислительные чипы, вдохновленные мозгом, или нейроморфные чипы.

Ферроэлектрики, такие как селенид индия, являются внутренне поляризованными материалами, которые меняют полярность при помещении в электрическое поле, что делает их привлекательными для создания технологий памяти. Получаемые устройства памяти не только требуют низких рабочих напряжений, но и демонстрируют отличные показатели максимальной долговечности и скорости чтения/записи, однако их емкость памяти невелика.

Это объясняется тем, что существующие методы позволяют вызвать лишь несколько ферроэлектрических фаз, а их захват является экспериментально сложной задачей, — говорит Синь Хэ, соруководитель исследования под руководством Фэй Сюэ и Сисяна Чжана.

Разработанный группой метод основан на протонировании селенида индия и позволяет генерировать множество ферроэлектрических фаз. Исследователи включили ферроэлектрический материал в транзистор, состоящий из гетероструктуры с кремниевой опорой.

Многослойная пленка селенида индия была нанесена на гетероструктуру, состоящую из изолирующего листа оксида алюминия, зажатого между слоем платины снизу и пористым кварцем сверху. В то время как платиновый слой служил электродами для приложенного напряжения, пористый кварц выступал в роли электролита и подавал протоны на ферроэлектрическую пленку.

Исследователи постепенно вводили и выводили протоны из ферроэлектрической пленки, изменяя приложенное напряжение. Это позволило обратимо получить несколько ферроэлектрических фаз с различной степенью протонирования, что очень важно для реализации многоуровневых устройств памяти с большой емкостью.

Более высокие положительные напряжения усиливали протонирование, в то время как отрицательные напряжения большей амплитуды в большей степени истощали протонирование.

Уровень протонирования также изменялся в зависимости от близости слоя пленки к кремнию. Они достигали максимальных значений в нижнем слое, контактирующем с кремнеземом, и поэтапно снижались, достигая минимальных значений в верхнем слое.

Неожиданно оказалось, что при выключении напряжения протон-индуцированные ферроэлектрические фазы возвращались в исходное состояние. Мы наблюдали это необычное явление потому, что протоны диффундировали из материала в кремнезем, — объясняет Сюэ.

Изготовив пленку с гладкой и непрерывной границей раздела с кремнием, специалисты получили устройство с высокой эффективностью инжекции протонов, работающее при напряжении ниже 0,4 вольта, что является ключевым фактором для разработки маломощных устройств памяти.

Самой сложной задачей для нас было снижение рабочего напряжения, но мы поняли, что эффективность инжекции протонов через интерфейс определяет рабочее напряжение и может быть соответствующим образом настроена.

Мы намерены разработать ферроэлектрические нейроморфные вычислительные чипы, которые будут потреблять меньше энергии и работать быстрее, — заключает Сюэ.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

17.07.2023