Полупроводники: мемристор простыми словами22.05.2022 12:31

В этой статье я попробую объяснить простыми словами причины исследования и перспективы применения нового типа полупроводников — мемристор.

Сначала давайте дадим определение мемристору. Memristor — это электронный компонент, который сохраняет внутреннее сопротивление на основе истории приложенного напряжения и тока (memory — память, resistor — сопротивление). Изменение сопротивления является энергонезависимым, т. е. состояние сопротивления может сохраняться в течение длительного времени после удаления внешнего электрического поля.

Зачем потребовался новый электронный компонент?

Первая причина — это достижение физического предела в размещении транзисторов в интегральной схеме. Все знают закон Мура об удвоении количества транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 2 года, которому пытаются следовать производители микросхем.

По информации в Википендии о технологическом процессе (последние годы в таблице) физический предел почти достигнут. Для лучшего представления: один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода, выстроенных в линию.

Техпроцесс	Дата	Пример
90 нм	2002–2003 гг.	Intel Pentium 4 (Prescott), AMD Turion 64×2
65 нм	2004 г.	Intel Core/Xeon, AMD Athlon 64
45 нм / 40 нм	2006–2007 гг.	Intel Core 2 Duo, AMD Athlon II
32 нм / 28 нм	2009–2010 гг.	Intel Sandy Bridge, AMD Bulldozer, Apple A7
22 нм / 20 нм	2009–2012 гг.	Intel Ivy Bridge
16 нм / 14 нм	2014 г.	Pentium N3700 (Braswell), AMD Ryzen
10 нм	2016–2017 гг.	Apple A11 Bionic, Snapdragon 835/845
7 нм	2018 г.	Apple A12X, Snapdragon 855/865
6 нм / 5 нм	2019 г.	Apple A14, Apple M1
3 нм	2018 г.	пробные образцы Imec и Cadence Design Systems
2 нм	2021 г.	IBM заявила о создании первого 2 нм чипа
1,4 нм	2029 г.	Intel планирует переход

Авторы Хабра обращали внимание в своих статьях, что предел в уменьшения транзисторов уже достигнут, и это 20–25 нм (2009–2012 гг.). Дальнейший рост производительности может быть в оптимизации архитектуры.
Проектные нормы в микроэлектронике: где на самом деле 7 нанометров в технологии 7 нм?
Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. (часть1, часть2, часть3)

Вторая причина связана с развитием искусственного интеллекта (ИИ): вычислительные системы сталкиваются с новыми проблемами, связанными с большими объемами данных и увеличением нагрузки на связь между памятью и процессором. Для решения этой вычислительной проблемы требуется новый подход/архитектура. Например, вычисления в памяти (IMC) представляются многообещающим подходом к устранению узких мест в памяти и обеспечению более высокого параллелизма обработки данных благодаря архитектуре массива памяти. IMC демонстрирует лучшую пропускную способность и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционным цифровым подходом.

Решение есть, и это мемристор.

Как же работает мемристор?

Мемристор — это частный случай физического явления, которое называется резистивное переключение. Резистивное переключение — это явление, когда сопротивление диэлектрического материала изменяется в ответ на приложение сильного внешнего электрического поля. Но это не «пробой» диэлектрика, так как возможно возвращение в обратное состояние. Первым открыл явление резистивного переключения в 1962 году в пленке оксида алюминия T.W. Hickmott. А в 1971 году L. Chua предложил новый элемент электросхемы — мемристор.

Резистивные переключения происходят во многих изоляционных материалах: оксиды, нитриды, халькогениды, полупроводники, органические материалы. Однако наиболее широко резистивные переключения изучены в оксидах. Устройства для резистивных переключений имеют конфигурацию с двумя выводами, подобную конденсатору, это изображено на рис. 1.

Рис.1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. T.E. - верхний электрод, B.E. - нижний. Рис. 1. Схема типичных устройств для резистивного переключения: вертикальная и плоская конструкции. T.E. — верхний электрод, B.E. — нижний.

Резистивное переключение происходит при формировании или разрушении токопроводящих нитей в диэлектрике. Процесс образования нитей отображен схематично на рис. 2.

Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (a) Pristine state - начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) - формирование нити (низкое сопротивление), (c) Filament rupture (HRS) - разрыв нити (высокое сопротивление). Рис. 2. Схематичное изображение процесса формирования токопроводящих нитей. (a) Pristine state — начальное состояние, (b) Filament formation (LRS) — формирование нити (низкое сопротивление), © Filament rupture (HRS) — разрыв нити (высокое сопротивление).Более подробно о том, как кислородные вакансии влияют на сопротивление

Кислородные вакансии имеют тенденцию к скоплению и обычно образуют нитевидные формы под действием электрического поля. Когда такие кластеры образуются, сопротивление локальной области становится намного ниже, чем сопротивление окружающей оксидной матрицы и, следовательно, состояние низкого сопротивления и состояние высокого сопротивления будут определяться образованием и разрывом токопроводящих нитей, соответственно, которые просачиваются через образец.
Кислородные вакансии могут управлять характеристиками барьера Шоттки. В геометрии образца конденсатора, между электродами и оксидным слоем образуется граница раздела. В зависимости от разницы в работе выхода металлического электрода и оксида может быть сформирован барьер Шоттки. Под действием внешнего смещения может изменяться распределение и плотность кислородных вакансий, что влияет на высоту и ширину барьера Шоттки и приводит к изменению сопротивления образца.
Кислородные вакансии также могут образовывать ловушки для электронов внутри области барьера Шоттки. В этом случае барьер Шоттки может модулироваться нейтрализацией кислородных вакансий из-за захвата электронов, что также приводит к явлениям резистивного переключения.

Вольт-амперный процесс преобразования материала в мемристор можно разделить на три этапа:

При приложении сильного электрического поля происходит резкое увеличение тока, называемое процессом «формирования», и устройство становится переключаемым. Зеленая линия на рис. 3.
Устройство в состоянии низкого сопротивления переходит в состояние высокого сопротивления за счет приложения внешнего смещения, называемого «сбросом». Красная линия на рис. 3.
И наоборот, состояние высокого сопротивления можно заменить на состояние низкого сопротивления, называемую «установка». Голубая линия на рис. 3.

Рис. 3. Схематичные кривые ВАХ, показывающие работу резистивного переключения. PS - состояние формирования, LRS - состояние низкого сопротивления, HRS - состояние высокого сопротивления. Рис. 3. Схематичные кривые ВАХ, показывающие работу резистивного переключения. PS — состояние формирования, LRS — состояние низкого сопротивления, HRS — состояние высокого сопротивления.

Простыми словами, работу транзистора и мемристора можно описать так:

транзистор: подали напряжение на базу — проводит ток, убрали напряжение — не проводит ток (полупроводник). При этом используется три контакта: эмиттер, коллектор и база
мемристор: после напряжения установки — проводит ток, после напряжения сброса — не проводит ток (полупроводник). При этом используется два контакта.
То есть мемристор хороший кандидат для электронных схем новой архитектуры.

Преимущества мемристора

Исследование мемристоров и их применения ведется уже длительное время. Один из перспективных способов применения — это RRAM (Resistive random-access memory), резистивная память с произвольным доступом. Прототипы уже исследованы, в таблице ниже можно убедиться в значительных преимуществах некоторых характеристик нового элемента (размер, скорость, время хранения состояния).

	DRAM	FLASH	RRAM (bipolar filament)
Cell elements	1T1C	1T	1T (D)1R
Charge	Charge on a capacitor	Charge trapped in floating gate or in gate insulator
Storage mechanism	Stand alone	Embedded	NOR embedded	NAND stand alone	Valence change filament formation
Feature size F (nm)	36	65	45	16	<5
Cell area	6F2	(12–30)F2	10F2	4F2	4F2
Read time	<10ns	2ns	15ns	0.1ms	<1ns
Write/erase time	<10ns	2ns	1/10ms	1/0.1ms	<1ns
Retention time	64ms	4ms	10yr	10yr	>10yr

Давайте обобщим все преимущества RRAM на мемристоре:

Два метастабильных состояния, которые можно использовать: состояния »0» и »1» энергонезависимой памяти. Поскольку такие состояния стабильны без внешнего смещения, рабочая энергия для RRAM может быть довольно небольшой.
В RRAM состояния »0» и »1» можно переключать с помощью внешних электрических импульсов, что делает его работу простой и легкой.
Значение сопротивления каждого состояния может быть легко считано путем приложения очень небольшого напряжения без нарушения исходного состояния, что позволяет считывать данные без разрушения.
Простая геометрия конденсатора ячейки RRAM без транзистора делает устройство хорошо масштабируемым.
Поскольку явление резистивного переключения наблюдается во многих изоляционных материалах, должно быть легко найти подходящие материалы.
Устройства RRAM могут использоваться для преодоления ограничений масштабирования современных кремниевых устройств.
Двухконтактная конфигурация устройств RRAM делает их подходящими для многоуровневой структуры. Например, пассивная двухконтактная многоуровневая структура, состоящая из блоков с одним диодом и одним резистором, может считаться более выгодной, чем активные конфигурации, которые включают транзистор. Такая многослойная структура предлагает значительные преимущества для увеличения емкости памяти по сравнению с простыми двухмерными многоуровневыми структурами.

В апреле этого года израильская компания Weebit Nano заявила, что успешно протестировала резистивную память и начнет массовое производство на американском заводе компании SkyWater Technology. Это означает, что новые устройства на мемристорах появятся в уже ближайшем будущем.

Источник: Resistive switching phenomena: A review of statistical physics approaches (Jae Sung Lee, Shinbuhm Lee, and Tae Won Noh)