Новый подход к созданию нанопереключателей VO2 со сверхнизким энергопотреблением

Рис. 1. Графическое изображение разработанного резистивного переключателя на основе НК VO2 с внедренной в него проводящей иглой (слева). Вольт-амперная характеристика нанопереключателя приведенная для разных температур (справа).

Авторы: В.Я. Принц1, С.В. Мутилин1, Л.В. Яковкина2, А.К. Гутаковский1, А.И. Комонов1

1 ФГБУН Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН

2 ФГБУН Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Диоксид ванадия (VO2) является одним из самых перспективных материалов для создания компьютеров нового поколения, функционирующих по принципу человеческого мозга. Привлекает рекордное  время фазового перехода VO2 из полупроводникового состояния в металлическое — 26 фемтосекунд. В работе сформированы уникальные нанопереключатели — приборы на основе монокристаллов VO2, которые резко и обратимо изменяют свое сопротивление (Рис.1) и при этом демонстрируют рекордную энергоэффективность (4,2 фДж), сравнимую с эффективностью нейрона, высокое быстродействие (<1 нс) и долговечность (>1011 циклов). Переключатель представляет собой нанокристалл VO2 с двумя контактами, один из которых — внедренная в кристалл проводящая кремниевая наноигла (10 нм). Благодаря остроте контакта, у его вершины концентрируется электрическое поле и ток, что и обеспечивает малое напряжение переключения. Для внедрений важно, что прибор практически весь кремниевый — и подложка, и наноигла, и второй контакт, поэтому предложенная технология интегрируется в хорошо развитую кремниевую технологию, что обеспечивает ее дешевизну. Большие массивы таких нанопереключателей (Рис.2) перспективны для создания посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров, работающих по принципам человеческого мозга.

 

Рис. 2. СЭМ-изображение упорядоченного массива отдельно стоящих НК VO2, выращенных на вершинах кремниевых игл. На вставке показано увеличенное изображение НК, выращенного на вершине Si иглы. Масштабная линейка на вставке указывает размер 250 нм.

Публикация: V.Ya. Prinz, S.V. Mutilin, L.V. Yakovkina, A. K. Gutakovskii, and A. I. Komonov, A new approach to the fabrication of VO2 nanoswitches with ultra-low energy consumption, Nanoscale, 12, 3443-3454, (2020), IF= 6.895