Nanoméretű fázisváltó memóriák időskáláinak kísérleti vizsgálata
Számtalan fizikai rendszerben figyelhetjük meg a jelenséget, hogy rá külső feszültséget kapcsolva a rendszer vezetőképessége változik. A rezisztív kapcsoló memóriák – más néven memrisztorok – olyan eszközök, amelyekben legalább kettő, nagyságrendileg eltérő vezetőképességű állapotot különböztethetünk meg, velük ezáltal bináris adattárolás végezhető, ahol az információt az eszköz vezetőképessége kódolja. Ebből következő, kiemelten fontos tulajdonságuk, hogy nem-illékonyak, vagyis külső energiaforrás nélkül is tárolják az információt. A rendszer két állapota közötti váltást írásnak nevezzük, ha alacsony vezetőképességű (OFF) állapotból nagyobb vezetőképességű (ON) állapotba érkezünk, és törlésnek, ha fordítva történik mindez. A rendszer elektromos ellenállása kis feszültségen kimérhető, ez az olvasás művelet. Ezen túl – a gerjesztő pulzusok hosszának és amplitúdójának megfelelő megválasztása mellett – elérhető kisebb léptékű vezetőképesség-változás is, az egyes állapotok finomhangolása. Ezt a tulajdonságot többszintű programozhatóságnak nevezzük, és komoly szerepe van hardverszintű analóg memóriát igénylő alkalmazási területeken, például neurális hálózatok fizikai megvalósítása során, amelyek rendkívül energiahatékonyak a szoftveres megoldásokhoz képest [1].
Az 1960-as években fedezték fel a rezisztív kapcsoló memóriák egy alcsoportját, az úgynevezett fázisváltó memóriákat. Egy ilyen memóriacellában alapvetően két elektródát és egy közé szendvicselt anyagot találunk. A kitöltő anyag fontos tulajdonsága, hogy kristályos vagy amorf állapotához jól elkülöníthető vezetőképesség-értékek tartoznak és a kettő közötti váltáshoz szükséges anyagszerkezeti változások az elektródákra kapcsolt feszültségpulzusok segítségével idézhetőek elő. Jelen dolgozatban grafén elektródás szilícium-oxid memrisztorokat vizsgáltam. Ezek az eszközök termikusan növesztett SiOx vékonyrétegre kémiai gőzfázisú leválasztással létrehozott grafén nanovezetékekből állnak elő, amik kontrollált elektroformázási folyamattal elvékonyíthatóak és elszakíthatóak. Ezáltal a standard litográfiás eljárásokkal elérhető méretskálánál jóval kisebb, nanoméretű aktív kapcsoló tartomány hozható létre [2]. Az eszközt jellemző karakterisztikus írási- és törlési idők mellett megfigyelhető az ún. holtidő is, ami azt az időtartamot jelenti, ameddig egy törlés után nem lehet újra írni az eszközt.
A szilícium-oxid memrisztorokkal végzett kísérleti munkám során feltártam, hogy az eszközök írási ideje lognormális eloszlást követ, alátámasztva, hogy a rezisztív kapcsolást a szilícium kristályosodása okozza. Az eszközben lezajló, kikapcsolás amorfizációs folyamatát követő relaxációs jelenséget sikerült megfigyelnem a holtidőben végzett ellenállásmérésekkel. Végül az írási idő gerjesztési paraméterektől való függését vizsgáltam, és összefüggést találtam a ki- és bekapcsoló feszültségpulzusok nagysága, az írási idő, illetve az OFF állapoti ellenállás között. Vizsgálataim során feltártam, hogy a szilícium-oxid memrisztorok esetén az időeloszlások akár több nagyságrendet is átfoghatnak. Éppen ezért ezek az eszközök kiválóan alkalmasak adott valószínűségi eloszlású véletlenszámok generálására, így hardveres alapját képezhetik a jövőben probabilisztikus programozási elven működő számítógépeknek. Ezekben az adatot reprezentáló bitek időben fluktuáló valószínűségi változók, melyek sok esetben a klasszikusnál nagyságrendekkel hatékonyabb megközelítést tesznek lehetővé [3].
Irodalom:
1. Stefano Ambrogio, et. al. Equivalent-accuracy accelerated neural-network training using analogue memory. Nature, 558, (2018).
2. László Pósa, et. al. Multiple Physical Time Scales and Dead Time Rule in Few-Nanometers Sized Graphene–SiOx–Graphene Memristors. Nano Letters, 17, 11, 6783-6789, (2017).
3. William A. Borders, et. al. Integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions. Nature, 573, 390-393, (2019).
szerző
-
Fehérvári János Gergő
Fizika alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
Dr. Halbritter András
tanszékvezető, egyetemi tanár, Fizika Tanszék -
Török Tímea Nóra
doktorandusz, Fizika Tanszék
