Научной группе из новосибирского Академгородка удалось впервые в мире создать уникальные нанопереключатели — приборы на основе монокристаллов двуокиси ванадия, которые резко и обратимо изменяют сопротивление и демонстрируют ультрамалое энергопотребление, высокое быстродействие и долговечность. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.
Такие устройства необходимы для создания нейроморфных систем как аналогов нейронов, поэтому уже сейчас энергоэффективность прибора сравнима с эффективностью нейрона. Дешевизну предложенной технологии формирования переключателей обеспечивает то, что она интегрируется в традиционную хорошо развитую кремниевую технологию производства микроэлектроники.
Новое достижение — продолжение работы, в ходе которой та же научная группа впервые синтезировала массивы упорядоченных монокристаллов диоксида ванадия. Этот материал — один из самых перспективных для создания компьютеров, функционирующих по принципу человеческого мозга: диоксид ванадия может очень быстро переходить из полупроводникового состояния в металлическое и обратно.
«Переключатель представляет собой нанокристалл двуокиси ванадия с двумя контактами, один из которых — внедренная в кристалл проводящая кремниевая наноигла с радиусом закругления около 10 нанометров. Благодаря остроте контакта у его вершины концентрируются электрическое поле и ток, что и обеспечивает малое напряжение переключения из полупроводникового в металлическое состояние. Это обеспечивает рекордную энергоэффективность прибора, которая сравнима с эффективностью нейрона. Для внедрений важно, что прибор практически весь кремниевый: и подложка, и наноигла, и второй контакт. Лишь нанокристалл между контактами состоит из двуокиси ванадия. Стандартной технологией сформировать такую трехмерную наноструктуру невозможно, тем более подходящих подложек для роста не существует. В основе нашего подхода лежат обнаруженные нами условия синтеза нанокристалла двуокиси ванадия на вершине кремниевой наноиглы»,— объясняет заведующий лабораторией Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН, первый автор статьи, член-корреспондент РАН Виктор Принц.
Научной группе из новосибирского Академгородка удалось впервые в мире создать уникальные нанопереключатели — приборы на основе монокристаллов двуокиси ванадия, которые резко и обратимо изменяют сопротивление и демонстрируют ультрамалое энергопотребление, высокое быстродействие и долговечность
Научной группе из новосибирского Академгородка удалось впервые в мире создать уникальные нанопереключатели — приборы на основе монокристаллов двуокиси ванадия, которые резко и обратимо изменяют сопротивление и демонстрируют ультрамалое энергопотребление, высокое быстродействие и долговечность
На данный момент плотность сформированных нанопереключателей — миллион на 1 кв. см, однако ее можно увеличить в тысячу раз. Именно большие массивы этих наноустройств перспективны для создания посткремниевой электроники и компьютеров, работающих по принципам человеческого мозга.
«С диоксидом ванадия мы работаем несколько лет: сначала, как и практически все в мире, исследовали поликристаллические пленки этого соединения. Первый наш значительный успех связан с тем, что мы смогли синтезировать упорядоченные идеально чистые монокристаллы этого соединения. Причем расположение последних задавалось специально сформированными наноструктурами на кремниевой подложке. Сейчас мы продвинулись гораздо дальше: нам удалось создать на основе кристаллов полноценные наноприборы с наноконтактами. Наш подход синтеза кристаллов на кончике кремниевых наноигл можно распространить и на другие перспективные полупроводниковые материалы, для которых отсутствуют подложки»,— отмечает соавтор статьи, научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Сергей Мутилин.
Важным параметром новых приборов является их долговечность — более 100 млрд переключений без изменений характеристик.
«Исследование выполнялось при финансовой поддержке Российского научного фонда, наши дальнейшие планы — работа по оптимизации нанопереключателей, а также формирование их связанного массива и создание искусственных нейросетей. На этом пути мы еще в самом начале»,— заключает Виктор Принц.
По материалам статьи «A New Approach to the Fabrication of Vanadium Dioxide Nanoswitches with Ultra-low Energy Consumption»; Victor Ya. Prinz, Sergey V. Mutilin, Lyubov V. Yakovkin, Anton K. Gutakovskii, Alexander I. Komonov; журнал Nanoscale, январь 2020 г.