Νανοηλεκτρονικές διατάξεις που προσομοιάζουν την λειτουργία νευρωνικών δικτύων

Abstract

In the era of the rapidly expanding Internet of Things (IoT), interdisciplinary research efforts have led to the development of advanced hardware and software technologies for efficient data processing and connectivity. As the demand for power efficient processing units continues to rise, the limitations of conventional complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology necessitate novel design approaches and emerging materials. Among the promising alternatives, resistive random access memory (RRAM) technology has emerged as a key player, offering enhanced storage and computational capabilities, along with dynamic properties. In particular, the metal-insulator-metal (MIM) structure of RRAM, when fabricated in a crossbar array configuration, enables low-temperature material processing and facilitates unique three-dimensional integration possibilities. This study focuses on investigating the resistive switching behavior of a thin layer of SiO2 embedded with two-dimensional molybdenum disulfide (MoS2) in a Conductive-Bridging Random Access Memory (CBRAM) con guration. The proposed device exhibits remarkable characteristics, including improved conductance quantization, reduced variability resulting from suppressed stochastic filament formation, and synaptic properties. Notably, the devices operate in bipolar switching mode without the need for electroforming, showcasing eight quantized conductance states during DC operation and ten quantized states under pulse measurements. Additionally, the devices exhibit enhanced endurance and retention properties, as well as linearity in synaptic potentiating and depressing procedures. These advantageous features can be attributed to the controlled diffusion barrier of Ag ions achieved through the atomic sieve properties of MoS2.Furthermore, this research explores the fabrication of planar memory devices utilizing MoS2 as the active material, employing advanced techniques such as e-beam lithography. The planar memory devices present additional avenues for investigating the electronic properties and memory characteristics of MoS2-based devices, further contributing to the development of efficient and reliable memory technologies.

Στην εποχή του ταχέως αναπτυσσόμενου Διαδικτύου (IoT), οι επιστημονικές ερευνητικές προσπάθειες οδήγησαν στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών υλικών και λογισμικών για αποτελεσματική επεξεργασία δεδομένων και συνδεσιμότητας μεταξύ τους. Καθώς η ζήτηση για μονάδες επεξεργασίας χαμηλής ενεργειακής απόδοσης συνεχίζει να αυξάνεται, οι περιορισμοί της συμβατικής τεχνολογίας συμπληρωματικών ημιαγωγών οξειδίου μετάλλου (CMOS) απαιτούν νέες προσεγγίσεις αρχιτεκτονικού σχεδιασμού και χρήση καινοτόμων υλικών. Μεταξύ των πολλά υποσχόμενων εναλλακτικών λύσεων, η τεχνολογία μνήμης αντίστασης τυχαίας πρόσβασης (RRAM) έχει αναδειχθεί ως βασικός παράγοντας, προσφέροντας βελτιωμένες υπολογιστικές δυνατότητες όσον αφορά την ικανότητα αποθήκευσης καθώς και άλλες δυναμικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η δομή μετάλλου-μονωτή-μετάλλου (MIM) της RRAM, όταν κατασκευάζεται σε διάταξη διασταυρούμενων συστοιχιών, επιτρέπει την επεξεργασία σε χαμηλές θερμοκρασίες και παρουσιάζει μοναδικές δυνατότητες τρισδιάστατης ολοκλήρωσης. Η διατριβή αυτή εστιάζει στη διερεύνηση της συμπεριφοράς μεταβλητής αντίστασης ενός λεπτού στρώματος SiO2 με ενσωματωμένο το δισδιάστατο υλικό, διθειούχο μολυβδαίνιο (MoS2) σε μια διάταξη μνήμης αγώγιμης γέφυρας (CBRAM). Η προτεινόμενη διάταξη παρουσιάζει αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης της βελτιωμένης κβαντικής αγωγιμότητας, μειωμένη μεταβλητότητα (variability) που προκύπτει από τον περιορισμένο σχηματισμό στοχαστικών αγώγιμων νημάτων καθώς και συναπτικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, οι διατάξεις παρουσιάζουν διπολική συμπεριφορά χωρίς την ανάγκη ηλεκτροδιαμόρφωσης (electroforming), παρουσιάζοντας εφτά κβαντισμένες καταστάσεις αγωγιμότητας κατά την εφαρμογή συνεχούς τάσης DC και εφτά κβαντισμένες καταστάσεις υπό μετρήσεις παλμών. Επιπλέον, οι διατάξεις παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες αντοχής και συγκράτησης (endurance and retention), καθώς και ενισχυμένη γραμμικότητα στις διαδικασίες ενίσχυσης και καταστολής των συναπτικών χαρακτηριστικών. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να αποδοθούν στο ελεγχόμενο φράγμα διάχυσης των ιόντων Ag που επιτυγχάνεται μέσω του ατομικού πλέγματος των στρωμάτων του MoS2. Επιπλέον, διερευνήθηκε και η κατασκευή επίπεδων διατάξεων μνήμης που χρησιμοποιούν MoS2 ως ενεργό υλικό, χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων. Οι διατάξεις μνήμης στο επίπεδο παρουσιάζουν πρόσθετους τρόπους για τη διερεύνηση των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών μνήμης των διατάξεων που βασίζονται στην ύπαρξη του MoS2, συμβάλλοντας περαι- τέρω στην ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής και αξιόπιστης διάταξης μνήμης.