2D-Kondensatoren für in

Das Team der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hat die Kernstruktur eines CCD-Bildsensors (Charge Coupled Device) angepasst und verbessert, um lichtempfindliche Speichergeräte zu schaffen, die durch Licht programmiert werden können. Insbesondere bettete das Forschungsteam das zweidimensionale Material MoS2 in eine Halbleiterkondensatorstruktur (MOSCAP) ein, die den ladungsspeichernden Pixeln eines CCD-Sensors zugrunde liegt.

Die Al/Al2O3/MoS2/Al2O3/Si-MOSCAP-Strukturen fungieren als ladungseinfangender „In-Memory“-Sensor, der gegenüber sichtbarem Licht empfindlich ist und optisch programmiert und elektrisch gelöscht werden kann.

„Die In-Memory-Lichtsensoren sind intelligente multifunktionale Speichergeräte, die die Rolle mehrerer – traditionell diskreter – Geräte gleichzeitig übernehmen können, einschließlich optischer Erfassung, Speicherung und Berechnung“, sagte Nazek El-Atab, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Universität KAUST und Hauptforscher für das Labor für intelligente, fortschrittliche Speichergeräte und Anwendungen.

„Unser langfristiges Ziel ist es, In-Memory-Sensoren zu demonstrieren, die verschiedene Reize erkennen und berechnen können“, sagte sie. „Dies überwindet die Speichermauer und ermöglicht eine schnellere und Echtzeit-Datenanalyse bei reduziertem Stromverbrauch, was in vielen zukunftsweisenden und hochmodernen Anwendungen wie dem Internet der Dinge, autonomen Autos und künstlicher Intelligenz erforderlich ist.“ unter anderen."

Experimente mit Licht mit einer Wellenlänge irgendwo im blauen bis roten Spektralbereich deuten darauf hin, dass eine fotogenerierte Ladung mit einer extrem langlebigen Retentionszeit eingefangen oder gespeichert werden kann. Die resultierende „Speicherfenster“-Spannung von >2 V kann bis zu 10 Jahre lang gespeichert werden, bevor sie durch Anlegen eines +/-6 V-Signals elektrisch gelöscht wird. Es funktioniert auch über viele Millionen Zyklen.

Das ultimative Ziel der Forschung ist die Entwicklung eines einzigen optoelektronischen Geräts, das optische Erfassung und Speicherung mit Rechenfunktionen durchführen kann.

Durch die Kombination der MoS2-MOSCAP-Struktur mit einem neuronalen Netzwerk zeigte das Team, dass es möglich war, eine einfache binäre Bilderkennung durchzuführen und erfolgreich zwischen Bildern eines Hundes oder eines Autos mit einer Genauigkeit von 91 Prozent zu unterscheiden. Jedes Bild hatte eine Größe von 32 x 32 Pixeln und es wurden nur die blauen Informationen aus den Bildern extrahiert, da diese der Spitzenempfindlichkeit des Geräts entsprechen.

„Aktuelle Speichergeräte können optisch programmiert werden, müssen aber elektrisch gelöscht werden“, sagte der Forscher Dayanand Kumar. „In Zukunft möchten wir optische In-Memory-Sensoren erforschen, die vollständig optisch betrieben werden können.“

Das Team verwendet außerdem schwarzen Phosphor, um eine optoelektronische memristive Synapse zu schaffen, die die Neuronen des Gehirns für neuromorphe Computeranwendungen nachahmt.

Das mehrschichtige Bauelement besteht aus einer dünnen Schicht aus schwarzem Phosphor und Hafniumoxid, die zwischen einer unteren Schicht aus Platin und einer oberen Schicht aus Kupfer liegt. Es funktioniert als optoelektronischer Memristor – ein Widerstand, dessen elektrischer Widerstand durch sichtbares Licht programmiert werden kann.

Experimente deuten darauf hin, dass es äußerst stabile synaptische Eigenschaften bietet, wie z. B. langfristige Potenzierung (eine langanhaltende Steigerung der Signalausgabe), langfristige Depression (eine langanhaltende Abnahme der Signalausgabe) und kurzfristige Plastizität (Änderung der Reaktion). im Laufe der Zeit).

Das Team konstruierte aus den Geräten ein 6x6-Synapsen-Array und hofft, dass in Zukunft größere Arrays dabei helfen könnten, eine biomimetische Netzhaut zu realisieren. Wichtig ist, dass die Geräte durch Lösungsverarbeitung kostengünstig hergestellt werden können und mit einem Biegeradius von 1 cm flexibel und stabil im Betrieb sind, was Möglichkeiten für tragbare Anwendungen bietet.

DOI: 10.1038/s41377-023-01166-7

www.kaust.edu.sa