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Jun 09, 2023

npj 2D 재료 및 응용 분야 5권, 기사 번호: 1(2021) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

최첨단 멤리스터는 대부분 저항성 스위칭(RS)을 위한 전도성 필라멘트의 형성에 의존하는 수직 금속-절연체-금속(MIM) 구조로 형성됩니다. 그러나 필라멘트의 확률론적 형성으로 인해 수직 MIM 멤리스터의 설정/리셋 전압을 제어하기가 어렵고 이로 인해 시간적 및 공간적 스위칭 균일성이 저하됩니다. 여기서는 전자빔 조사 이황화레늄(ReS2)을 기반으로 한 2단자 측면 멤리스터가 실현되었으며, 이는 쇼트키 장벽 높이(SBH) 변조를 기반으로 한 저항성 스위칭 메커니즘을 공개합니다. 이 장치는 형성이 없고 안정적이고 점진적인 RS 특성을 나타내며 동시에 포지티브 및 네거티브 스윕(6.3%/5.3%) 동안 작은 전이 전압 변화를 달성합니다. RS는 ReS2/금속 SBH를 변조하는 장치의 전압 바이어스에 의해 유도된 황 공극의 움직임에 기인합니다. 점진적인 SBH 변조는 MIM 기반 멤리스터의 갑작스러운 RS와 달리 시간적 변화를 안정화합니다. 또한, 생물학적 시냅스의 장기 시냅스 가소성의 에뮬레이션은 이 장치를 사용하여 시연되었으며, 에너지 효율적인 뉴로모픽 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 인공 시냅스로서의 잠재력을 나타냅니다.

멤리스터는 광범위하게 조사되었으며 뉴로모픽 컴퓨팅1,2,3,4,5,6을 위한 인공 시냅스 후보 중 하나로 간주됩니다. 이러한 멤리스터 중에서 스위칭 메커니즘은 주로 원자가 변화 메커니즘(VCM) 및 전기화학적 금속화(ECM)와 같은 절연층의 전도성 필라멘트 형성에 의존합니다. VCM 기반 장치의 경우 산소 결손과 같은 공극 음이온의 이동에 의해 전도도 변화가 유도됩니다. 그러나 절연체 내 공극 음이온의 무작위 분포로 인해 음이온 필라멘트의 형성은 확률론적 과정입니다. ECM 장치의 저항성 스위칭(RS)은 Ag+와 같은 활성 전극 금속 양이온의 이동 및 금속화로 인해 발생합니다(참조 14, 15, 16). 그러나 이러한 이동성이 높은 금속 양이온은 이러한 양이온의 이동 경로의 확률로 인해 전기 주조 단계에서 제어하기가 어렵습니다. 따라서 VCM 및 ECM 기반 장치 모두 전도성 필라멘트의 무작위 형성 및 파열로 인해 시간적(사이클 간) 변화가 불가피합니다. 이 문제를 극복하기 위해 Choi et al. 단결정 SiGe18을 기반으로 한 에피택셜 랜덤 액세스 메모리(epiRAM)를 시연했습니다. epiRAM은 Ag 필라멘트의 구속으로 인해 작은 설정 전압 변화와 전위 밀도의 정확한 제어를 달성했습니다. 그러나 장치는 여전히 필라멘트가 제거되는 동안 시간적 변화를 피할 수 없습니다. 따라서 사이클 간 변화를 제어하려면 비 필라멘트 스위칭 메커니즘에 대한 검색이 필수적입니다. 또한, MBE(고분자선 에피택시) 성장 온도는 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 기술을 사용하여 eRAM을 통합하는 데 적합하지 않습니다14. BEOL(Back-End-of-Line) 호환성 측면에서는 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의한 저온 2D 재료 성장과 대규모 2D 재료 개발로 인해 2D(2D) 재료가 대안으로 부각되고 있습니다. 기술 이전19,20,21,22,23.

2D 재료와 그 파생물을 기반으로 하는 많은 수직형 멤리스터가 시연되었습니다. 이러한 스위칭 레이어 중 일부는 순수 2D 재료(예: MoS2, hBN, WSe2)로 만들어지며 스위칭 메커니즘은 재료의 고유 결함(예: 황 결손 및 붕소 결손)과 활성 금속 필라멘트(예: Ag, Ti 및 Cu)24,25,26,27. 단기 및 장기 시냅스 가소성은 모두 이러한 장치에서 에뮬레이트되었습니다. 또한, 2D 재료 파생물(예: MoOx/MoS2, WOx/WSe2)을 기반으로 하는 수직 멤리스터는 얇은 산화층 두께로 인해 스위칭 전압이 낮은 것으로 보고되었습니다. 이러한 수직 멤리스터는 고밀도 어레이 통합을 가능하게 하는 장치 확장에 적합합니다. 또한 측면 멤리스터에 비해 수직 멤리스터는 스위칭 층이 얇아 설정 전압이 더 작습니다2,15,28. 그러나 2단자 구조는 다중단자 바이오시냅스 에뮬레이션에 적합하지 않습니다. 수직 멤리스터에 비해 측면 멤리스터는 더 많은 전극을 추가하여 다중 단자 멤리스터를 구현하는 데 더 다재다능합니다. 최근에는 금속/MoS2 접촉 영역에서 전압 바이어스로 유도된 황 공극 운동 및 쇼트키 장벽 높이(SBH) 변조에 의존하는 MoS2 기반 측면 멤리스터 장치가 보고되었습니다. 이러한 전환 방식은 이러한 멤리스터를 필라멘트형 멤리스터와 구별하고 확률론적 필라멘트 형성 과정으로 인한 변화를 줄일 수 있습니다. 더욱이, 황 공극을 생성하기 더 쉬운 새로운 재료를 찾는 것은 스위칭 성능을 향상시킬 수 있습니다. 약한 층간 결합, 부드러운 Re-S 공유 결합 및 낮은 황 공극 형성 에너지를 갖는 2D 재료의 일종인 이황화 레늄(ReS2)은 외부 바이어스를 받을 때 더욱 명백한 황 공극 운동을 경험할 수 있습니다.