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 4 нм². А также получена экстремально высокая скорость переключения 50 пс, что, естественно, крайне важно для обеспечения энергоэффективности. Сохранение запрограммированных состояний связано с материальной структурой устройства и может быть преобразовано в поведение кратковременной или долговременной памяти, подходящее для различных нейроморфных приложений.

Тем не менее, мемристоры, которые работают только под действием электрических стимулов, часто страдают от тепловыделения и проблем с перекрестными помехами, связанных с помехами соседних устройств, что блокирует крупномасштабное внедрение. Перекрёстные помехи можно устранить, добавив транзистор в каждую ячейку. Однако такой подход, несомненно, увеличивает площадь клетки и потребление энергии.

Оптоэлектронные мемристоры (OEM)

Оптоэлектронные мемристоры (OEM) используют как световые, так и электронные сигналы в качестве входных данных и могут вести себя как сенсорные искусственные синапсы с высокой энергоэффективностью, низким уровнем перекрестных помех и быстрой обработкой данных и, таким образом, подходят для связи искусственных зрительных систем с их обработкой на оборудовании. В частности, OEM предлагает возможность неэлектрического метода программирования и, таким образом, может стать улучшенным решением таких проблем, как чрезмерный джоулев нагрев и перекрестные помехи, возникающие в высокоплотных пассивных поперечных архитектурах. Кроме того, функции обучения и передачи сигналов не могут одновременно выполняться на устройствах, работающих только с электрическим полем. Добавление света в качестве третьего терминала облегчает параллельную передачу и обработку данных.

Сохранение вызванного светом состояния резистентности обычно связывают с эффектом постоянной фотопроводимости (PPC), который часто присущ материалу активного слоя. Эффект PPC обычно объясняется: (i) макроскопическими физическими барьерами на границах раздела или легирующими дефектами, которые снижают скорость рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар, или (ii) барьерами атомного масштаба, расположенными в больших узлах релаксации решетки, в котором энергетический уровень пустых дефектов находится выше минимума зоны проводимости, а занятый энергетический уровень расположен в запрещенной зоне, препятствуя рекомбинации.

В исследовании OEM можно выделить четыре направления:

1) Из оксидов металлов

Первый отчет об управлении состоянием сопротивления в мемристоре с использованием света в сочетании с сигналами напряжения был сделан в 2012 г. Ungureanu и др. Активный слой Al₂O₃ на подложке Si/SiO₂ использовался с Pd в качестве верхнего электрода. В темноте практически не было RS, и устройство можно было считать резистором, но, комбинируя электрические импульсы -10/10 В и импульс считывания 6 В с импульсами ультрафиолетового (УФ) или инфракрасного (ИК) света, можно было определить несколько состояний сопротивления. Как только свет выключался, значение тока немедленно возвращалось, не показывая эффекта PPC. Однако для хранения данных и приложений с кратковременной/долговременной памятью требуется эффект PPC (для модуляции энергонезависимого состояния множественного сопротивления).

Hassan M. Y. и Ang D. S. обнаружили, что облучение светом приводит к перезагрузке мемристора на основе HfO_x. Предложенная структура, показанная на fig. 1(a), продемонстрировала типичное биполярное и резкое переключение в темноте, как показано на fig. 1(b), с высоким отношением I_LRS/I_HRS более 10³ . Когда устройство было установлено в LRS, облучение видимым светом вызывало переход в состояние с более высоким сопротивлением и в зависимости от его интенсивности могло выполнять полный сброс. На fig. 1(c) представлен график, на котором можно выделить несколько состояний сопротивления, соответствующих разной интенсивности света для работы многоуровневой ячейки (MLC). Было доказано, что различные состояния сопротивления являются энергонезависимыми, что связано со светочувствительным механизмом.

2) Из оксидных полупроводников

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 V_Set и V_Reset 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 I_LRS/I_HRS ≈10⁴ . Тем не менее, менее энергичные длины волн, такие как зеленый свет, также могут вызывать достаточно высокое отношение I_LRS/I_HRS, равное ≈10², как видно на fig. 2(b).

3) Из 2D-материалов

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.

4) Из материалов с одномерной структурой

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
and in-memory computation (Maria Elias Pereira, Rodrigo Martins, Elvira Fortunato, Pedro Barquinha and Asal Kiazadeh, 2023)