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Jun 09, 2023

npj 2D Materials and Applications volume 5、記事番号: 1 (2021) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

最先端のメモリスタは、ほとんどが垂直金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) 構造によって形成されており、抵抗スイッチング (RS) のための導電性フィラメントの形成に依存しています。 しかし、フィラメントの確率的形成により、垂直 MIM メモリスタのセット/リセット電圧の制御が難しく、その結果、時間的および空間的スイッチングの均一性が低下します。 ここでは、電子ビーム照射二硫化レニウム (ReS2) に基づく 2 端子ラテラル メモリスタが実現され、ショットキー障壁高さ (SBH) 変調に基づく抵抗スイッチング機構が明らかになります。 このデバイスは、フォーミングのない安定した緩やかな RS 特性を示し、同時に正および負のスイープ中に小さな遷移電圧変動 (6.3%/5.3%) を達成します。 RS は、デバイス内の電圧バイアスによって誘発される硫黄空孔の動きに起因し、ReS2/金属 SBH を調節します。 MIM ベースのメモリスタの急激な RS とは対照的に、段階的な SBH 変調は時間的変動を安定させます。 さらに、このデバイスを使用して生物学的シナプスの長期シナプス可塑性のエミュレーションが実証され、エネルギー効率の高いニューロモーフィック コンピューティング アプリケーションのための人工シナプスとしての可能性が明らかになります。

メモリスタは広範囲に研究されており、ニューロモーフィック コンピューティング用の人工シナプス候補の 1 つとみなされています 1、2、3、4、5、6。 これらのメモリスタの中で、スイッチング機構は主に、価数変化機構 (VCM) や電気化学的メタライゼーション (ECM) など、絶縁層内の導電性フィラメントの形成に依存しています。 VCM ベースのデバイスの場合、コンダクタンスの変化は酸素空孔などの空孔陰イオンの移動によって引き起こされます 8、9、10、11。 しかし、絶縁体中の空孔陰イオンはランダムに分布しているため、陰イオンフィラメントの形成は確率論的過程です7、12、13。 ECM デバイスの抵抗スイッチング (RS) は、Ag+ などの活性電極金属カチオンの動きと金属化によって引き起こされます (参考文献 14、15、16)。 しかし、このような移動性の高い金属カチオンは、これらのカチオンの移動経路の確率論性により、電鋳ステップ中に制御することが困難です7、13、17。 そのため、VCM ベースのデバイスと ECM ベースのデバイスの両方で、導電性フィラメントのランダムな形成と破断により、時間的 (サイクルごとの) 変動は避けられません。 この問題を克服するために、Choi et al. は、単結晶 SiGe18 をベースとしたエピタキシャル ランダム アクセス メモリ (epiRAM) を実証しました。 epiRAM は、Ag フィラメントの閉じ込めと転位密度の正確な制御により、小さな設定電圧変動を達成しました。 ただし、デバイスはフィラメントの消去中の時間的変動を依然として回避できません。 したがって、サイクル間の変動を制御するには、非フィラメント状スイッチング機構の探索が不可欠です。 さらに、高分子線エピタキシー（MBE）の成長温度は、このようなepiRAMと相補型金属酸化物半導体（CMOS）技術の統合には適していません14。 バックエンドオブライン (BEOL) の互換性の観点からは、化学気相成長 (CVD) による低温 2D 材料成長と大規模 2D 材料の開発により、二次元 (2D) 材料が代替選択肢として浮上しています。移転技術19,20,21,22,23。

2D 材料とその派生物に基づく多くの垂直メモリスタが実証されています。 これらのスイッチング層の一部は純粋な 2D 材料 (例: MoS2、hBN、WSe2) で作られており、スイッチング機構は材料の固有欠陥 (例: 硫黄空孔やホウ素空孔) と活性金属フィラメント (例: Ag、 Ti および Cu)24,25,26,27。 これらのデバイスでは、短期および長期のシナプス可塑性の両方がエミュレートされています 24,25。 さらに、2D 材料誘導体 (MoOx/MoS2、WOx/WSe2 など) に基づく垂直型メモリスタは、酸化層の厚さが薄いためスイッチング電圧が低いことが報告されています 28,29。 このような垂直メモリスタは、高密度アレイの統合を可能にするデバイスのスケーリングに適しています 30、31。 さらに、横型メモリスタと比較して、縦型メモリスタはスイッチング層が薄いため、セット電圧が小さくなります2、15、28。 ただし、その 2 端子構造は、多端子バイオ シナプス エミュレーションには適していません。 縦型メモリスタと比較して、横型メモリスタは、より多くの電極を追加することで多端子メモリスタを実現するための汎用性が高くなります 32,33。 最近、金属/MoS2 接触領域での電圧バイアス誘起硫黄空孔運動とショットキー障壁高さ (SBH) 変調に依存する MoS2 ベースの横方向メモリスティブ デバイスが報告されています 32,34,35。 このようなスイッチング方式は、これらのメモリスタをフィラメント状メモリスタと区別し、確率的フィラメント形成プロセスによって引き起こされる変動を低減する可能性がある。 さらに、硫黄空孔を生成しやすい新しい材料の探索により、スイッチング性能が向上する可能性があります。 二硫化レニウム (ReS2) は、弱い層間結合、柔らかい Re-S 共有結合、および低い硫黄空孔形成エネルギーを持つ 2D 材料の一種であり、外部バイアスを受けると、より明らかな硫黄空孔の動きを経験する可能性があります 36,37,38。