 |
Nanométeres skálájú rezisztív kapcsoló memóriaeszközök fejlesztése
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
128534 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Halbritter András |
| magyar cím |
Nanométeres skálájú rezisztív kapcsoló memóriaeszközök fejlesztése |
| Angol cím |
Development of nanometer scale resistive switching memory devices |
| magyar kulcsszavak |
nanotechnológia, memrisztor, nanofabrikálás, neuromorfikus számítástechnika |
| angol kulcsszavak |
nanotechnology, memristor, nanofabrication, neuromorphic computing |
| megadott besorolás |
| Elektronikus Eszközök és Technológiák (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Informatikai–Villamosmérnöki |
| Kutatóhely |
Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Csontos Miklós
Mezei Gréta
MIHÁLY György
Nyáry Anna
Pósa László
Volk János
|
| projekt kezdete |
2018-09-01 |
| projekt vége |
2023-10-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
47.788 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
12.63 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az elmúlt évtizedben számos anyagcsaládban fedeztek fel rezisztív kapcsolási jelenségeket. Ezen anyagok jól kontrolálható ellenállásváltozást mutatnak az alkalmazott feszültség hatására. Az ilyen elven működő rezisztív kapcsoló memóriaeszközök (ReRAM-ok) már közel állnak ahhoz, hogy kiváltsák a lassabb, és több energiát fogyasztó flash-memória alapú háttértárolókat. Ezen túl a rezisztív kapcsoló memóriák használata a neuromorfikus számítástechnika terén is igéretes, hiszen a ReRAM egységek számos tulajdonságukban hasonlítanak a neuronokat összekötő szinapszisokhoz. A pályázat keretében újszerű rezisztív kapcsoló eszközök fejlesztését, minősítését és optimalizálását tervezzük. Vizsgálatainkban elektronsugár-litográfiával készített eszközökből kiindulva az eszközre adott nagy feszültség segítségével kontrolált módon 1-3nm széles rést hozunk létre, és így az elektródaanyagból kialakított nanorés alatti szubsztrát egy keskeny tartományába szorítjuk a rezisztív kapcsolást. Ez lehetővi teszi, hogy a jelenlegi litográfiás technikákkal elérhetőnél kisebb térfogatban hozzunk létre memóriaműködést. Vizsgálatainkban fontos szerepet szánunk a jól alakítható, flexibilis és akár átlátszó egyrétegű grafén elektródák használatának. A pályázat a befogadó intézmény, az MTA EK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet Mikrotechnológia Osztály, illetve a Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology intézet széleskörű együttműködésére épít. Ezen együttműködés keretében jól kiegészítik egymást a ReRAM eszközök tanulmányozásában szerzett tapasztalatok illetve az együttműködő intézetek nanofabrikálási és eszközkészítési szakértelme és infrastruktúrája.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Számos fém- és félvezető oxid alapú anyagcsalád mutat rezisztív kapcsolási jelenségeket. Nagyobb méretskálán ezen eszközök számos különböző működési mechanizmust mutatnak a vegyértékváltozáson alapuló filamentáris kapcsolástól a határfelület típusú, töltsécsapdák töltésén/kiürítésén alapuló kapcsoláson át a fázisváltás típusú, lokális fázisátalakuláson alapuló kapcsolásig. Ezen kívül érdekes nemlineáris, akár negatív differenciális vezetőképességet mutató jelenségek tapasztalhatók. Pályázatunk keretében azt kívánjuk vizsgálni, hogy ezen jelenségek mennyire módosulnak vagy maradnak meg ultrakicsi méretsálán, és mi az a legkisebb méretskála, melynél még jól kontrollált és reprodukálható rezisztív kapcsolás tapasztalható. A vizsgálatainkban további anyagcsaládokra is ki kívánjuk terjeszteni a kutatócsoportunk által demonstrált, egyetlen elektródaanyagot használó aszimmetrikus kontaktusgeometriát. Ez különösen fontos bipolárisan működő rezisztív kapcsolókban, ahol egy teljesen szimetrikus elrendezés nem tenne lehetővé reprodukáló kapcsolásokat. Vizsgálatainkban rezisztív kapcsoló anyagként szilícium-oxidot, nióbium-oxidot, tantál-oxidot és vanádium oxidot, elektródaként pedig grafént, ezüstöt, aranyat, nióbiumot, tantált és vanádiumot kívánunk használni. Különös figyelmet fordítunk a neuromorfikus viselkedés irányába mutató jelenségek azonosítására, úgy mint a többállapotú programozhatóság vizsgálata, a hangolható rövidtávú és hosszútávú memóriaműködés tanulmányozása, és az eszközök működését vezérlő komplex időskálák és nemlineáris jelenségek kimutatása.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A rezisztív kapcsoló memóriákból készült hálózatok a hagyományos CMOS alapú eszközökhöz képest új funkciókat ellátó számítástechnikai architektúrák kialakítását teszik lehetővé. Napjainkban keresztsoros kialakítású ReRAM eszközök már beépíthetők integrált áramkörökbe. Ezen eszközök fejlesztésében számos nemzetközileg ismert informatikai vállalat aktív szerepet vállal, illetve új vállalkozások indulnak kifejezetten ezen technológiák fejlesztése céljából. Az utóbbira példa a Crossbar Inc. projektje, melynek keretében oxid alapú ReRAM-okból 1TB tárolókapacitású memóriákat fejlesztettek, melyek 10-szer nagyobb sebességgel írhatók, és 20-szor kevesebb energiát fogyasztanak, mint a flash háttértárolók. Ezek a számok azt mutatják, hogy a ReRAM háttértárolók piaci megjelenése inkább gazdasági, mint technológiai kérdés. A ReRAM eszközökben megjelenő lehetőségek azonban messze túlmutatnak a flash-technológiát kiváltó háttértárolókon. ReRAM eszközök egyszerre alkalmasak nem illékony információtárolásra és logikai műveletek elvégzésére, így lehetőséget nyújthatnak a fizikailag szeparált memória és processzoregységek integrálására. Még izgalmasabb felhasználás az ún neuromorfikus számítástechnika, mely a ReRAM egységek és az idegsejteket összekötő szinapszisok közötti működésbeli hasonlóságot aknázza ki. Az alacsony energiafelhasználásnak, az analóg, azaz számos különböző állapot elérését lehetővé tevő memóriaműködésnek, és az erősen nemlineáris karakterisztikáiknak köszönhetően a ReRAM eszközök kiváló lehetőségeket nyújtanak a mesterséges neurális hálózatok fejlesztésére. Ezen, hétköznapi felhasználás szempontjából is alapvető jelentőségű kutatási területekhez kapcsolódik a pályázatunk, melynek keretében újfajta laterális ReRAM egységek fejlesztését, minősítését és optimalizálását célozzuk meg. A projekt keretében kiemelt cél, hogy a rezisztív kapcsolást a jelenleg elérhető litográfiai módszerek felbontásánál kisebb, 1-3nm-es méretskálán valósítsuk meg grafén vagy fém nanorések felhasználásával. Tudomásunk szerint hasonló kutatások hazánkban nem folynak, és megítélésünk szerint a pályázatunk nemzetközileg is újszerű célokat határoz meg, melyek eredményeit magas impaktú nemzetközi folyóiratokban kívánjuk ismertetni.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az informatikai eszközök hétköznapjainkban tapasztalható rohamos fejlődését újabb és újabb technológiaváltások teszik lehetővé. A háttértároló eszközök piacát nemrég még uraló merevlemezek már elavultnak számítanak, helyüket a flash-memória alapú SSD tárolók veszik át. Azonban már ennek a technológiának is láthatók a korlátai, és már rendelkezésre állnak a flash-memóriáknál gyorsabb, és kevesebb energiát fogyasztó, rezisztív kapcsoláson alapuló memóriaeszközök (ReRAM-ok). Ezen kétpólusú memóriaeszközök működése az aktív tartományban elektromos feszültség által jól kontrollált módon kiváltható ellenállásváltozáson alapul. Ezen memóriával rendelkező ellenállásokat gyakran memrisztornak is nevezik. A ReRAM eszközök felhasználása azonban messze túlmutat a flash-memóriát kiváltó háttértároló-eszközökön, hiszen egy ReRAM egység működése sok szempontból hasonló az idegsejteket összekötő szinapszisok viselkedéséhez, így a ReRAM-ok segítségével az idegrendszer működését jól modellező, ún. neuromorfikus számítástechnikai eszközök fejleszthetők. Míg a ReRAM háttértárolók a vezető informatikai cégeknél már napjainkban bevezetésre készen állnak, addig a neuromorfikus eszközök fejlesztése még a kutatási fázisban tart. Pályázatunk keretében újfajta ReRAM eszközöket kívánunk fejleszteni, minősíteni és optimalizálni, melynek keretében fontos cél, hogy a jelenlegi gyártási módszerek felbontásánál kisebb tartományban valósítsunk meg memóriaműködést.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Resistive switching phenomena were detected recently in a wide range of material systems. In proper device geometries these materials exhibit a reversible change of their resistance as voltage is applied. Such resistance change random access memory devices (ReRAMs) are close to commercialization to replace flash memory based solid state mass storage drives. ReRAM devices, however, are also promising candidates to introduce novel, neuromorphic computing functionalities thank to their similar operation to biological synapses. In this project we wish to develop, characterize and optimize novel ReRAM units. As a common approach of our studies we first engineer an initial on-chip structure fabricated by electron beam lithography, which is then further reduced in dimension by a controlled electrical breakdown process of the metallic terminals. The resistive switching is confined to the tiny volume of the substrate material residing under the resulting 1-3nm wide nanogap of the leads. This approach allows the study of ultrasmall ReRAM units well below the resolution of present lithographic techniques, which can also be integrated to larger circuits. In our studies graphene is considered as a distinguished material, providing a well shapeable, atomically thin, optically transparent and mechanically flexible contacting platform. The project builds on an extensive collaboration between the host institute, the Microtechnology Department of the Institute of Technical Physics and the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA). The nanofabrication expertise and facilities of the latter two complement the expertise in ReRAM research at the host institute.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
There is a broad range of metal- or semiconductor-oxide based resistive switching platforms. At larger dimensions these materials exhibit a rich variety of operation, including valance change memory type filamentary switching, interface type switching due to the filling/emptying of oxygen vacancy charge traps, phase change memory type switching due to a voltage induced metal-insulator transition, and highly nonlinear I(V) behavior including negative differential conductance phenomenon. We will study how these characteristics are maintained or modified at ultrasmall dimensions, and what are the size limits, where highly reproducible and well controlled ReRAM operation is still achievable. We intend to expand our idea of using a single contacting material with asymmetric geometrical design. This device structure is important in bipolar ReRAM units, where a fully symmetric setup would not allow reproducible bipolar operation. As switching medium silicon-oxide, niobium-oxide, tantalum-oxide, vanadium-oxide and zinc-oxide are considered, whereas graphene, Au, Ag, Nb, Ta and V will be used as contacting materials. We will pay special attention to identifying the neuromorphic-like characteristics of our individual ReRAM units, including the investigation of multilevel programming possibilities, the search for tunable long/short-time memory operation, and the identification of the different timescales and nonlinear features governing the device operation.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Networks of resistance change random access memory devices (ReRAMs) are outstanding candidates to introduce novel computing functionalities compared to conventional CMOS architectures. To date the integration of such devices on semiconductor industry compatible material platforms is mostly demonstrated in the form of stacked crossbar arrays. An incomplete list of globally recognized industrial parties active in this field includes HP, Intel, Panasonic, Western Digital, etc., which is extended by numerous smaller startup companies. As a specific example, oxide materials have been extensively exploited by Crossbar Inc. to build 3D stackable crossbar chips for memory applications whose recently available storage capacities reach 1 TB and can be operated at 10 times higher write speeds and 20 times lower power consumption as compared to contemporary flash devices. All these numbers demonstrate that the replacement of flash memory based solid state mass storage drives by better performing ReRAM devices is rather a commercial than a technological issue. However, the potential of ReRAMs is far beyond their application as mass storage media. ReRAM based computers could merge the logic and the non-volatile memory operations eliminating the von Neumann bottleneck, i.e. the slow data transfer between the physically separated processor and memory units. A further promising application is brain-inspired (neuromorphic) computing, i.e. to implement the massively parallel and highly fault-tolerant computational approaches of the human brain on artificial platforms. ReRAMs offer a promising material basis for the above purposes due to their scalability, low energy operation and analog, nonlinear response function. These characteristics ensure close similarities to biological synapses. Such prospects of ReRAMs are still in the research phase, where we wish to contribute with the present proposal. The main novelty of our approach lies in challenging the resolution of state of the art lithographic techniques and confine the resistive switching to 1-3nm wide graphene or metal nanogaps. To date no similar research is recognized in Hungary. Our proposed research is also internationally novel anticipating high impact publications.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The fast and continuous development of computer architectures is a common experience of our everyday life. This enormous progress relies on the periodical replacement of the underlying technologies with novel ones. As an example the mass storage on hard drive disks (HDD) is already considered as an outdated technology being replaced by flash memory based solid state drives (SSD). However, the limits of this technology are already visible, and an innovative technology based on resistance change memory devices (ReRAMs) is ready to replace the flash memory based mass storage architectures. The ReRAM units are two terminal devices with a voltage tunable resistance state in their active region. These devices are also called memristors, i.e. resistors with memory. However, the importance of ReRAM devices is far beyond the replacement of flash memory based mass storage drives, as the operation of a ReRAM unit exhibits several similarities to that of biological synapses. Based on this similarity ReRAMs are outstanding candidates to serve as the building blocks of novel, neuromorphic computing architectures. Whereas the ReRAM based mass storage drives are already close to commercialization at leading information technology companies, the development of neuromorphic computing devices is still in the research phase. Our project intends to contribute to this field by the development, characterization and optimization of novel lateral ReRAM devices. As a distinguished target we wish to challenge the resolution of state of the art nanofabrication techniques, and engineer ReRAMs with ultrasmall (1-3nm wide) active region.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Török, Tímea Nóra ; Fehérvári, János Gergő ; Mészáros, Gábor ; Pósa, László ; Halbritter, András: Tunable, Nucleation-Driven Stochasticity in Nanoscale Silicon Oxide Resistive Switching Memory Devices, ACS APPLIED NANO MATERIALS 5, 6691 (2022), 2022 | | Pósa László, Hornung Péter, Török Tímea Nóra, Schmid Sebastian Werner, Arjmandabasi Sadaf, Molnár György, Baji Zsófia, Dražić Goran, Halbritter András, Volk János: Interplay of Thermal and Electronic Effects in the Mott Transition of Nanosized VO2 Phase Change Memory Devices, ACS APPLIED NANO MATERIALS 6: (11) pp. 9137-9147., 2023 | | Csontos M., Horst Y., Olalla N.J., Koch U., Shorubalko I., Halbritter A., Leuthold J.: Picosecond Time-Scale Resistive Switching Monitored in Real-Time, ADVANCED ELECTRONIC MATERIALS 9: (6) 2201104, 2023 | | B. Sánta, Z. Balogh, A. Gubicza, L. Pósa, D. Krisztián, Gy. Mihály, M. Csontos, A. Halbritter: Universal 1/f type current noise of Ag filaments in redox-based memristive nanojunctions, NANOSCALE 11 pp. 4719-4725, 2019 | | Török, Tímea Nóra; Csontos, Miklós; Makk, Péter; Halbritter, András: Breaking the Quantum PIN Code of Atomic Synapses, NANO LETTERS 20, 1192 (2020), 2020 | | Sánta, B ; Molnár, D ; Haiber, P ; Gubicza, A ; Szilágyi, E ; Zolnai, Zs ; Halbritter, A ; Csontos, M: Nanosecond resistive switching in Ag/AgI/PtIr nanojunctions, BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY 11, 92 (2020), 2020 | | Nyáry, Anna ; Gubicza, Agnes ; Overbeck, Jan ; Pósa, László ; Makk, Péter ; Calame, Michel ; Halbritter, András ; Csontos, Miklós: A non-oxidizing fabrication method for lithographic break junctions of sensitive metals, Nanoscale Advances 2, 3829 (2020), 2020 | | Pósa, László ; Molnár, György ; Kalas, Benjamin ; Baji, Zsófia ; Czigány, Zsolt ; Petrik, Péter ; Volk, János: A Rational Fabrication Method for Low Switching-Temperature VO2, NANOMATERIALS 11, 212 (2021), 2021 | | Balogh, Zoltan ; Mezei, Gréta ; Pósa, László ; Sánta, Botond ; Magyarkuti, András ; Halbritter, András: 1/f noise spectroscopy and noise tailoring of nanoelectronic devices, NANO FUTURES 5, 042002 (2021), 2021 | | Pósa László, Hornung Péter, Török Tímea Nóra, Schmid Sebastian Werner, Arjmandabasi Sadaf, Molnár György, Baji Zsófia, Dražić Goran, Halbritter András, Volk János: Interplay of Thermal and Electronic Effects in the Mott Transition of Nanosized VO2 Phase Change Memory Devices, ACS APPLIED NANO MATERIALS 6: (11) pp. 9137-9147., 2023 | | B. Sánta, Z. Balogh, A. Gubicza, L. Pósa, D. Krisztián, Gy. Mihály, M. Csontos, A. Halbritter: Universal 1/f type current noise of Ag filaments in redox-based memristive nanojunctions, NANOSCALE 11 pp. 4719-4725, 2019 | | Török, Tímea Nóra; Csontos, Miklós; Makk, Péter; Halbritter, András: Breaking the Quantum PIN Code of Atomic Synapses, NANO LETTERS 20, 1192 (2020), 2020 | | Sánta, B ; Molnár, D ; Haiber, P ; Gubicza, A ; Szilágyi, E ; Zolnai, Zs ; Halbritter, A ; Csontos, M: Nanosecond resistive switching in Ag/AgI/PtIr nanojunctions, BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY 11, 92 (2020), 2020 | | Nyáry, Anna ; Gubicza, Agnes ; Overbeck, Jan ; Pósa, László ; Makk, Péter ; Calame, Michel ; Halbritter, András ; Csontos, Miklós: A non-oxidizing fabrication method for lithographic break junctions of sensitive metals, Nanoscale Advances 2, 3829 (2020), 2020 | | Sánta, B ; Molnár, D ; Haiber, P ; Gubicza, A ; Szilágyi, E ; Zolnai, Zs ; Halbritter, A ; Csontos, M: Nanosecond resistive switching in Ag/AgI/PtIr nanojunctions, BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY 11, 92 (2020), 2020 | | Nyáry, Anna ; Gubicza, Agnes ; Overbeck, Jan ; Pósa, László ; Makk, Péter ; Calame, Michel ; Halbritter, András ; Csontos, Miklós: A non-oxidizing fabrication method for lithographic break junctions of sensitive metals, Nanoscale Advances 2, 3829 (2020), 2020 | | Sánta Botond, Balogh Zoltán, Pósa László, Krisztián Dávid, Török Tímea Nóra, Molnár Dániel, Sinkó Csaba, Hauert Roland, Csontos Miklós, Halbritter András: Noise Tailoring in Memristive Filaments, ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES XXXX: (XXX) acsami.0c21156, 2021 | | Balogh Zoltan, Mezei Gréta, Pósa László, Sánta Botond, Magyarkuti András, Halbritter András: 1/f noise spectroscopy and noise tailoring of nanoelectronic devices, NANO FUTURES 5, 042002 (2021), 2021 | | Pósa, László ; Molnár, György ; Kalas, Benjamin ; Baji, Zsófia ; Czigány, Zsolt ; Petrik, Péter ; Volk, János: A Rational Fabrication Method for Low Switching-Temperature VO2, NANOMATERIALS 11, 212 (2021), 2021 | | Balogh, Zoltan ; Mezei, Gréta ; Pósa, László ; Sánta, Botond ; Magyarkuti, András ; Halbritter, András: 1/f noise spectroscopy and noise tailoring of nanoelectronic devices, NANO FUTURES 5, 042002 (2021), 2021 | | Nyáry A., Balogh Z., Vigh M., Sánta B., Pósa L., Halbritter A.: Voltage-time dilemma and stochastic threshold-voltage variation in pure-silver atomic switches, PHYSICAL REVIEW APPLIED 21: (1) 014027, 2024 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
