Двумерные (2D) материалы, представляющие собой тонкие кристаллические вещества толщиной всего в несколько атомов, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с их трёхмерными аналогами. В частности, многие из этих материалов пропускают электрический ток легче, чем объёмные материалы, имеют настраиваемые запрещённые зоны, часто более гибкие и лучше подходят для изготовления небольших компактных устройств.
Исследования показали перспективность 2D-материалов для создания передовых систем, включая устройства, которые выполняют вычисления, имитирующие работу мозга (например, нейроморфные вычислительные системы), и чипы, которые могут как обрабатывать, так и хранить информацию (например, вычислительные системы с памятью).
Одним из материалов, который оказался особенно перспективным, является гексагональный нитрид бора (hBN), состоящий из атомов бора и азота, расположенных в виде шестиугольной решётки, напоминающей решётку графена. Этот материал является отличным изолятором, имеет широкую запрещённую зону, прозрачен для видимого света, обладает хорошей механической прочностью и сохраняет свои характеристики при высоких температурах.
Исследования показали потенциал hBN для изготовления мемристоров — электронных компонентов, которые могут как хранить, так и обрабатывать информацию, действуя одновременно как память и как резисторы (компоненты, управляющие потоком электрического тока в электронных устройствах).
Хотя мемристоры на основе hBN могут работать очень хорошо, интеграция их с существующей технологией комплементарных металл-оксид-полупроводников (КМОП) на основе кремния оказалась сложной задачей. Большинство предложенных методов интеграции либо слишком дороги для реализации в больших масштабах, либо не позволяют надёжно получать устройства без дефектов.
Исследователи из Университета штата Аризона, Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) и других институтов недавно разработали новую масштабируемую стратегию выращивания плёнок hBN при температурах, совместимых с КМОП, и создания мемристоров, совместимых с существующей электроникой. Их подход, опубликованный в Nature Nanotechnology, основан на методе, известном как плазменно-стимулируемое химическое осаждение из газовой фазы с использованием электронного циклотронного резонанса (ECR-PECVD).
«Гексагональный нитрид бора (hBN) особенно привлекателен для энергонезависимых устройств с резистивным переключением (то есть мемристоров) благодаря своей выдающейся электронной, механической и химической стабильности», — написали Цзин Се, Али Эбади Йекта и их коллеги в своей статье. «Однако интеграция мемристоров на основе hBN с электроникой на основе Si-КМОП сталкивается с проблемами, поскольку требует либо высокотемпературного синтеза (превышающего тепловой бюджет), либо методов переноса, которые вводят дефекты, влияющие на производительность и надёжность устройств».
Исследователи предложили метод синтеза плёнок hBN при температурах, совместимых с КМОП (<380 °C), используя ECR-PECVD, чтобы реализовать мемристоры на основе hBN без переноса. Плёнки, которые они создали, были высоко однородными на больших площадях и состояли из множества кристаллов (то есть поликристаллические). «Наши исследования указывают на поликристаллическую структуру с турбостратными особенностями в нанесённых методом напыления плёнках hBN и хорошую однородность на уровне пластины по морфологии (размеру, форме и ориентации)», — написали Се, Йекта и их коллеги. «Мы демонстрируем большой массив мемристоров на основе hBN, достигающий высокой производительности (~90%), стабильности (выносливости, удержания и повторяемости), точности программирования для многоэлементной работы (>16 состояний) и низкочастотных шумовых характеристик с минимальным случайным телеграфным шумом».
Используя созданные ими плёнки на основе hBN, исследователи создали большой массив мемристоров, которые показали отличные результаты, сохраняя свою производительность с течением времени. Кроме того, они успешно интегрировали мемристоры с существующей технологией КМОП.
«Мы напрямую интегрируем мемристорные устройства на промышленных испытательных автомобилях КМОП, чтобы продемонстрировать отличную выносливость, достигая миллионов циклов программирования с высоким уровнем технологической готовности», — написали авторы. «Это представляет собой важный шаг на пути к интеграции на уровне пластин КМОП мемристоров на основе hBN».
В будущем предложенная стратегия может способствовать интеграции мемристоров на основе hBN или, возможно, других 2D-материалов с электроникой на основе КМОП. Более того, их работа может вдохновить другие исследовательские группы на разработку подобных стратегий для надёжного синтеза качественных 2D-плёнок.
© 2025 Science X Network
More from Materials and Chemical Engineering