Cette animation montre comment des millions de cycles de commutation haute tension peuvent entraîner la défaillance des memristors. La commutation haute tension crée finalement des régions qui sont en permanence riches (puits bleus) ou déficientes (pics rouges) en oxygène et ne peuvent pas être commutées en arrière. La commutation à des tensions inférieures qui conviendraient aux appareils commerciaux n'a pas montré cette dégradation des performances. Ces observations ont permis aux chercheurs de développer des conditions de traitement et de fonctionnement des matériaux qui ont amélioré l'endurance des memristors de près de mille fois. Crédit :Suhas Kumar
Au cours d'expériences menées dans deux laboratoires nationaux du ministère de l'Énergie – le SLAC National Accelerator Laboratory et le Lawrence Berkeley National Laboratory – des scientifiques de Hewlett Packard Enterprise (HPE) ont confirmé expérimentalement des aspects critiques de la façon dont un nouveau type de dispositif microélectronique, le memristor, fonctionne à l'échelle atomique.
Ce résultat est une étape importante dans la conception de ces dispositifs à semi-conducteurs pour une utilisation dans les futures mémoires informatiques qui fonctionnent beaucoup plus rapidement, durent plus longtemps et consomment moins d'énergie que la mémoire flash actuelle. Les résultats ont été publiés en février dans Matériaux avancés .
"Nous avons besoin d'informations comme celle-ci pour pouvoir concevoir des memristors qui réussiront commercialement, " dit Suhas Kumar, un scientifique HPE et premier auteur de l'article technique du groupe.
Le memristor a été proposé théoriquement en 1971 comme quatrième élément de dispositif électrique de base aux côtés de la résistance, condensateur et inductance. En son cœur se trouve un petit morceau d'oxyde de métal de transition pris en sandwich entre deux électrodes. L'application d'une impulsion de tension positive ou négative augmente ou diminue considérablement la résistance électrique du memristor. Ce comportement le rend approprié pour une utilisation en tant que mémoire d'ordinateur « non volatile » qui, comme la mémoire flash, peut conserver son état sans être rafraîchi avec une puissance supplémentaire.
Durant la dernière décennie, un groupe HPE dirigé par son collègue senior R. Stanley Williams a exploré les conceptions de memristor, matériaux et comportement en détail. Depuis 2009, ils utilisent des rayons X synchrotron intenses pour révéler les mouvements des atomes dans les memristors lors de la commutation. Malgré les progrès réalisés dans la compréhension de la nature de cette commutation, les détails critiques qui seraient importants dans la conception de circuits commercialement réussis sont restés controversés. Par exemple, les forces qui déplacent les atomes, entraînant des changements de résistance spectaculaires lors de la commutation, restent en débat.
Dans les années récentes, le groupe a examiné des memristors en oxydes de titane, tantale et vanadium. Les premières expériences ont révélé que la commutation dans les dispositifs à l'oxyde de tantale pouvait être contrôlée plus facilement, il a donc été choisi pour une exploration plus approfondie dans deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science - Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC et Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab.
Chez ALS, les chercheurs de HPE ont cartographié les positions des atomes d'oxygène avant et après la commutation. Pour ça, ils ont utilisé un microscope à rayons X à transmission à balayage et un appareil qu'ils ont construit pour contrôler avec précision la position de leur échantillon ainsi que la synchronisation et l'intensité des rayons X de l'ALS à 500 électrons-volts, qui ont été réglés pour voir l'oxygène.
L'imagerie aux rayons X des memristors a montré que la commutation de leur état de résistance propulse les atomes d'oxygène vers l'extérieur d'un chemin conducteur (pic rouge) vers les régions environnantes (tranchée bleue circulaire) à environ 200 nanomètres. En arrière-plan, une photo d'une plaquette de silice sur laquelle des dizaines de memristors de test ont été créés. Quatre électrodes carrées et des fils minces connectés à chaque memristor permettent aux chercheurs de changer son état et de mesurer les changements de résistance. Crédit :Suhas Kumar
Les expériences ont révélé que même des impulsions de tension faibles créent un mince chemin conducteur à travers le memristor. Pendant l'impulsion, le chemin se réchauffe, qui crée une force qui éloigne les atomes d'oxygène du chemin, le rendant encore plus conducteur. L'inversion de l'impulsion de tension réinitialise le memristor en aspirant une partie des atomes d'oxygène dans le chemin conducteur, augmentant ainsi la résistance de l'appareil. La résistance du memristor varie entre 10 et 1 million de fois, en fonction des paramètres de fonctionnement tels que l'amplitude des impulsions de tension. Ce changement de résistance est suffisamment spectaculaire pour être exploité commercialement.
Pour être sûr de leur conclusion, les chercheurs devaient également comprendre si les atomes de tantale se déplaçaient avec l'oxygène pendant la commutation. L'imagerie du tantale nécessitait une énergie plus élevée, dix, Rayons X à 000 électronvolts, qu'ils ont obtenu sur la ligne de faisceau 6-2 de SSRL. En une seule séance là-bas, ils ont déterminé que le tantale est resté stationnaire.
"Cela a scellé l'affaire, nous convaincre que notre hypothèse était correcte, " a déclaré Catherine Graves, scientifique de HPE, qui avait travaillé à SSRL en tant qu'étudiant diplômé de Stanford. Elle a ajouté que les discussions avec les experts du SLAC étaient essentielles pour guider l'équipe HPE vers les techniques de rayons X qui leur permettraient de voir le tantale avec précision.
Kumar a déclaré que l'aspect le plus prometteur des résultats de l'oxyde de tantale était que les scientifiques n'ont vu aucune dégradation lors de la commutation de plus d'un milliard d'impulsions de tension d'une amplitude adaptée à un usage commercial. Il a ajouté que cette connaissance a aidé son groupe à construire des memristors qui ont duré près d'un milliard de cycles de commutation, amélioration d'environ mille fois.
"C'est une endurance beaucoup plus longue que ce qui est possible avec les dispositifs de mémoire flash d'aujourd'hui, " Kumar a dit. " En plus, nous avons également utilisé des impulsions de tension beaucoup plus élevées pour accélérer et observer les défaillances des memristors, ce qui est également important pour comprendre le fonctionnement de ces appareils. Des échecs se sont produits lorsque les atomes d'oxygène ont été repoussés si loin qu'ils ne sont pas revenus à leur position initiale."
Au-delà des puces mémoire, Kumar dit que la vitesse de commutation rapide et la petite taille des memristors pourraient les rendre adaptés à une utilisation dans des circuits logiques. Des caractéristiques de memristor supplémentaires peuvent également être bénéfiques dans la classe émergente de circuits informatiques neuromorphiques inspirés du cerveau.
"Les transistors sont gros et encombrants par rapport aux memristors, ", a-t-il déclaré. "Les Memristors sont également bien mieux adaptés pour créer les pics de tension de type neurone qui caractérisent les circuits neuromorphiques."
