Ученые ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН создали ключевые наноэлементы для посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров

Ученые ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН создали ключевые наноэлементы для посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров

Впервые в мире удалось разработать уникальные приборы, которые резко и обратимо изменяют свое сопротивление и демонстрируют рекордную энергоэффективность, высокое быстродействие и долговечность

Научной группе из новосибирского Академгородка удалось впервые в
мире создать уникальные нанопереключатели — приборы на основе
монокристаллов двуокиси ванадия (VO2), которые резко и обратимо
изменяют свое сопротивление и при этом демонстрируют рекордную
энергоэффективность, сравнимую с эффективностью нейрона, высокое
быстродействие и долговечность. Предложенная технология
формирования переключателей интегрируется в хорошо развитую
кремниевую технологию, что обеспечивает ее дешевизну. Большие
массивы таких нанопереключателей  перспективны для создания
посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров, работающих по
принципам человеческого мозга, сообщает пресс-служба ИФП СО РАН.

Подробности исследования сотрудников Института физики
полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН и Института
неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН опубликованы в
престижном научном журнале Nanoscale.
Исследования поддержаны грантом Российского научного
фонда (РНФ).

Новый результат — 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
концентрируется 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 — двуокись ванадия. Стандартной
технологией сформировать такую трехмерную наноструктуру
невозможно, тем более что подходящих подложек не существует. В
основе нашей технологии лежат обнаруженные нами условия синтеза
нанокристалла двуокиси ванадия на вершине кремниевой наноиглы, —
объясняет заведующий лабораторией ИФП СО РАН, первый автор статьи
в Nanoscale член-корреспондент РАН Виктор
Яковлевич Принц.

Такие нанопереключатели необходимы для нейроморфных систем как
аналоги нейронов. На данный момент плотность сформированных
нанопереключателей — миллион на квадратный сантиметр, однако, ее
можно увеличить в тысячу раз.

«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 созданными наноструктурами на кремниевой подложке.
Сейчас мы продвинулись гораздо дальше — нам удалось создать на их
основе 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 Владимирович Мутилин.

Важным параметром новых переключателей является их долговечность
— более 100 миллиардов 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», — добавляет Виктор Принц.

Иллюстрация: Изображение кремниевой иглы, полученное с
помощью электронного микроскопа до и после синтеза диоксида
ванадия. Слева кремниевая игла до синтеза диоксида ванадия,
справа та же кремниевая игла с наращённым на ее вершину
нанокристаллом диоксида ванадия.

Источник фото: Victor Ya. Prinz et.al. / Nanoscale, 2020

 

Источник: www.isp.nsc.ru

Источник: scientificrussia.ru