2D 커패시터

KAUST(King Abdullah Science and Technology) 팀은 빛으로 프로그래밍할 수 있는 감광성 메모리 장치를 만들기 위해 CCD(전하결합소자) 이미지 센서의 핵심 구조를 조정하고 강화했습니다. 특히 연구팀은 CCD 센서의 전하 저장 픽셀을 뒷받침하는 반도체 커패시터(MOSCAP) 구조에 2차원 물질 MoS2를 내장했습니다.

Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si MOSCAP 구조는 가시광선에 민감하고 광학적으로 프로그래밍하고 전기적으로 지울 수 있는 전하 트랩 "인메모리" 센서의 기능을 합니다.

"인메모리 광 센서는 광학 감지, 저장 및 계산을 포함하여 전통적으로 개별적인 여러 장치의 역할을 동시에 수행할 수 있는 스마트 다기능 메모리 장치입니다."라고 Nazek El-Atab 조교수는 말했습니다. KAUST이자 스마트 고급 메모리 장치 및 응용 연구실의 수석 연구원입니다.

"우리의 장기 목표는 다양한 자극을 감지하고 계산할 수 있는 메모리 내 센서를 시연할 수 있는 것입니다."라고 그녀는 말했습니다. "이는 메모리 벽을 극복하고 사물인터넷, 자율주행차, 인공지능과 같은 많은 미래형 첨단 애플리케이션의 요구사항인 감소된 전력 소비를 사용하여 보다 빠르고 실시간 데이터 분석을 가능하게 합니다. 그 중에서도."

파란색에서 빨간색 스펙트럼 영역까지의 파장을 가진 빛을 사용한 실험은 광 생성 전하가 매우 긴 유지 시간으로 갇히거나 저장될 수 있음을 나타냅니다. >2V의 결과 "메모리 창" 전압은 +/-6V 신호를 적용하여 전기적으로 삭제되기 전까지 최대 10년 동안 저장할 수 있습니다. 또한 수백만 주기 동안 작동합니다.

연구의 궁극적인 목표는 컴퓨팅 기능을 통해 광학 감지 및 저장을 수행할 수 있는 단일 광전자 장치를 만드는 것입니다.

연구팀은 MoS2 MOSCAP 구조를 신경망과 결합해 간단한 이진 이미지 인식이 가능하고 91%의 정확도로 개와 자동차의 이미지를 성공적으로 구별할 수 있음을 보여주었습니다. 각 이미지의 크기는 32×32 픽셀이며, 장치의 최대 감도에 해당하므로 이미지에서 파란색 정보만 추출되었습니다.

“현재 메모리 장치는 광학적으로 프로그래밍할 수 있지만 전기적으로 삭제해야 합니다.”라고 연구원인 Dayanand Kumar가 말했습니다. "향후에는 완전히 광학적으로 작동할 수 있는 인메모리 광센서를 탐구하고 싶습니다."

연구팀은 또한 뉴로모픽 컴퓨팅 애플리케이션을 위해 뇌의 뉴런을 모방하는 광전자 멤리스티브 시냅스를 생성하기 위해 흑린을 사용하고 있습니다.

다층 장치는 하부 백금층과 상부 구리층 사이에 끼워진 얇은 흑린층과 하프늄 산화물로 구성됩니다. 이는 가시광선을 통해 전기 저항을 프로그래밍할 수 있는 저항기인 광전자 멤리스터로 작동합니다.

실험에 따르면 장기 강화(신호 출력의 장기간 증가), 장기 우울증(신호 출력의 장기간 감소) 및 단기 가소성(반응의 변화)과 같은 매우 안정적인 시냅스 기능을 제공합니다. 시간이 지남에 따라).

팀은 장치에서 6×6 시냅스 배열을 구성했으며 앞으로 더 큰 배열이 생체 모방 망막을 실현하는 데 도움이 될 수 있기를 희망합니다. 중요한 것은 이 장치는 용액 처리를 통해 비용 효율적으로 제작할 수 있으며 1cm의 굽힘 반경으로 안정적인 작동으로 유연하여 웨어러블 애플리케이션에 가능성을 제공한다는 것입니다.

DOI: 10.1038/s41377-023-01166-7

www.kaust.edu.sa