Мемристивный синапс

Полезная модель относится к области перспективной элементной базы электроники и может быть использована для создания основного элемента - мемристивного синапса при аппаратной реализации архитектуры искусственных нейронных сетей для организации нейроморфных вычислений. Основное свойство предлагаемого решения мемристивного синапса - его уникальные (исключительные) адаптивные свойства в широком диапазоне по сопротивлению, что позволяет реализовать возможность синаптической пластичности при использовании мемристивного синапса в качестве электронного эквивалента биологического синапса при построении нейроморфных процессорных устройств. Под адаптивными свойствами подразумевается возможность аналогового многоуровневого изменения электрического сопротивления структуры под действием приложенного напряжения и запоминание полученного таким образом резистивного состояния, стабильного во времени.
OFF
ON
Известен способ формирования мемристоров с многоуровневым переключением сопротивления на основе структуры «металл - изолятор -металл», в которой в качестве изолятора используется «твердотельный сплав Si:Me» с заранее заданным профилем концентрации металла Me по толщине («Способ формирования мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me и структура мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me», патент № RU 2540237, опубл. 10.02.2015). Сформированные предложенным способом структуры не требуют этапа электрической формовки и обеспечивают 5 различных уровней по сопротивлению. Недостатком мемристоров, полученных данным способом, является малая разница сопротивлений структуры в наиболее высокоомном (R) и наиболее низкоомном состояниях (R), не превышающего одного порядка по величине.
40
40
20
x
3-y
100-x
OFF
ON
Известен «Способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл - нестехиометрический оксид» (патент № RU 2666165, опубл. 06.09.2018). Мемристивные структуры Cr/Cu/Cr/(CoFeB)(LiNbO)/Cr/Cu/Cr допускают аналоговое (многоуровневое) изменение резистивного состояния, однако обладают достаточно малым отношением сопротивлений R/R ≈ 20, что ограничивает диапазон установки весовых коэффициентов синаптических мемристоров при их последующей имплементации в архитектуру нейронных сетей. Более того, синаптические мемристоры являются низкоомными (сопротивление структуры в наиболее высокоомном состоянии не превышает десятков кОм) и требуют сравнительно высоких напряжений для установки резистивных состояний (5 В, при длительности импульсов напряжения - 100 мс), что существенно повышает энергопотребление.
2
Известен многоуровневый мемристор ("Multi-resistance-state memristor", патент № CN 102832343 А, опубл. 19.12.2012) с возможностью реализации четырех промежуточных резистивных состояний в диапазоне трех порядков по величине, который включает в себя нижний платиновый электрод, верхний TaTiN электрод и расположенную между электродами активную область, выполненную из оксида гафния HfO. Многоуровневый мемристор сочетает два типа переключения электрического сопротивления: униполярное, при котором переключение в низкоомное состояние происходит при приложении напряжения той же полярности, что и переключение в высокоомное состояние, а также биполярное, относительно исходного уровня сопротивления структуры, при котором переключение между низкоомным и высокоомным состояниями наблюдается при приложении к структуре напряжения разной полярности. Предложенный мемристор обеспечивает четыре резистивных состояния, отличается сложным алгоритмом переключения между ними, и близкими величинами сопротивления промежуточных уровней к наиболее высокоомному и наиболее низкоомному состояниям структуры, что значительно затрудняет использование такого элемента в качестве синапса в структуре нейронной сети.
2-х
2-х
OFF
ON
Известен мемристор на основе нестехиометрического оксида гафния, сочетающий двухуровневый и многоуровневый режимы переключения электрического сопротивления ("Binary and multi-valued memristor based on HfO, preparation method, and application of binary and multi-valued memristor", патент № CN 107293642 A, опубл. 24.10.2017). Предложенное решение представляет собой «кросс-бар» структуру, содержащую сетку нижних титановых электродов, и перпендикулярную ей сетку верхних платиновых электродов. Между электродами расположен активный слой HfO, режим переключения электрического сопротивления которого определяются выбранным диапазоном 1.6 < 2-х < 2. При 1.6 < 2-х < 1.8 мемристор работает в режиме многоуровневого переключения сопротивления, обусловленного, как предполагается, образованием проводящего канала («филамента») между верхним и нижним электродами в результате электромиграции кислородных вакансий под действием приложенного к электродам напряжения. Изменение длительности прикладываемого к структуре импульса напряжения (1 нс - 10 мс) приводит к изменению соотношения R/R в диапазоне от одного до трех порядков по величине. Недостатком данного технического решения является необходимость реализации дополнительной операции активации структуры в виде процедуры первичной электрической «формовки», приводящей к формированию проводящего «филамента». Процесс «формовки», как правило плохо контролируется, но при этом является критически важным для активации переключения электрического сопротивления мемристивной структуры.
Известно мемристивное устройство ("Memristor device", патент № US 10186660 В2, опубл. 22.01.2019) на основе гетероструктуры с активным металлооксидным слоем оксида гафния и возможностью реализации 64 промежуточных резистивных состояний в диапазоне двух порядков по величине. Мемристивное устройство включает нижний химически инертный платиновый и верхний танталовый электроды, и заключенный между ними активный переключающийся слой из оксида гафния, толщиной 5 нм, сформированный методом атомно-слоевого осаждения. Под действием приложенного к структуре внешнего напряжения происходит окисление тантала на интерфейсе «оксид гафния / верхний танталовый электрод» вследствие электромиграции катионов тантала в слой оксида гафния и анионов кислорода к танталовому электроду, что приводит к образованию кислородных вакансий в активном переключающемся слое. Тантал играет роль легирующий примеси для слоя оксида гафния, при увеличении концентрации которой происходит образование проводящего канала между электродами структуры. Промежуточные резистивные состояния образуются за счет изменения соотношения ионов тантала и кислородных вакансий в сформированном проводящем канале. Поскольку в данном мемристивном устройстве реализуются промежуточные по сопротивлению состояния, которые могут быть использованы для интеграции синаптической пластичности при построении не-фон-неймановских процессорных устройств, данное мемристивное устройство может рассматриваться в качестве мемристивного синапса. Переключение между резистивными состояниями достигается вариацией уровня ограничения по току или количества приложенных к структуре импульсов напряжения. В качестве недостатка предложенного решения выступает небольшой диапазон переключения сопротивления мемристивного устройства, а также необходимость в сравнительно большом количестве импульсов, необходимых для аналоговой перестройки резистивного состояния структуры (до 26 импульсов для увеличения проводимости в три раза и более 10 импульсов для уменьшения к исходному уровню, соответственно). Данное устройство является ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели.
Задачей полезной модели является создание мемристивного синапса с существенно расширенным диапазоном перестройки сопротивления и, одновременно, возможностью повышения дифференциации резистивных состояний со снижением вероятности ошибки при считывании информации с элемента. При решении задачи достигается технический результат, характеризуемый приведенной совокупностью признаков:
- реализация многоуровневой перестройки сопротивления в диапазоне до 7 порядков;
- обеспечение стабильности промежуточных уровней по сопротивлению;
- исключение процесса электрической формовки для активации резистивного переключения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что мемристивный синапс, содержащий между нижним, химически инертным платиновым и верхним электродами активную область, выполненную на основе тонкопленочной металлооксидной гетероструктуры, обеспечивающую многоуровневое, энергонезависимое переключение сопротивления и обладающую резистивной памятью, содержит активную область, образованную слоем многоуровневого переключения сопротивления из аморфного оксида алюминия, толщиной от 4 до 6 нм, выполненного поверх слоя оксида титана, толщиной от 20 до 60 нм, сформированного поверх нижнего электрода, а верхний электрод выполнен из платины.
В этом случае, слой оксида титана служит резервуаром кислородных вакансий, и обеспечивает контролируемое изменение их плотности в проводящем шнуре, формируемом при биполярном резистивном переключении во втором слое активной области (аморфном оксиде алюминия), за счет их электромиграции при приложении напряжения к структуре.
7
11
4
Технические характеристики мемристивного синапса: отношение сопротивлений в наиболее высокоомном и наиболее низкоомном резистивных состояниях, измеренных при напряжении 0.1 В, составляет 10; диапазон напряжений записи - от 2 до 5 В, диапазон перестройки сопротивления - от 10 до 10 Ом, количество достигнутых, зарегистрированных промежуточных резистивных уровней, относительно которых наблюдается биполярное переключение сопротивления - до 20. Заявленные технические характеристики обеспечиваются при указанном диапазоне толщин металлооксидных слоев и использовании платины в качестве материала электродов структуры.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структура мемристивного синапса, на фиг. 2 поясняется его работа, а на фиг. 3 приводятся рабочие вольт-амперные характеристики при многоуровневой (аналоговой) перестройки сопротивления и при необходимости повышения дифференциации резистивных состояний со снижением вероятности ошибки при считывании информации с элемента.
Мемристивный синапс (фиг. 1) содержит верхний электрод 1, нижний электрод 5 и активную область 2, выполненную между электродами и содержащую слой многоуровневого переключения сопротивления 3 из аморфного оксида алюминия, выполненного поверх слоя 4, играющего роль резервуара кислородных вакансий, сформированного поверх нижнего электрода 5.
Сборку предлагаемого мемристивного синапса осуществляют следующим образом:
2
2
Для формирования нижнего электрода 5 формируется слой SiO с толщиной 100 нм на подложке термически окисленного кремния (100) р-типа и наносится адгезионный слой титана толщиной 10 нм с последующим напылением нижнего платинового электрода толщиной 100 нм методом распыления в плазме. Затем на полученную структуру Pt/Ti/SiO/Si методом атомно-слоевого осаждения наносят слой 4, оксида титана, толщиной от 20 до 60 нм, при температуре подложки Т=473 K, в качестве прекурсоров используются тетракис (диметиламино) титан и вода. На полученный слой оксида титана осаждают второй слой, обеспечивающий переключение сопротивления 3, толщиной 3-6 нм, методом атомно-слоевого осаждения при температуре подложки Т=473 K, в качестве прекурсоров используются триметилалюминий и вода. После осаждения активных слоев 3 и 4, структуры отжигаются в атмосфере кислорода при температуре Т=473 K в течение 30 секунд. Верхний платиновый электрод 1, толщиной 100 нм, формируется методом электронно-лучевого напыления при температуре Т=423 K.
На фиг. 2 схематично поясняется работа мемристивного синапса.
1. Биполярное переключение на самом высокоомнд ом уровне структуры происходит при приложении отрицательного потенциала на верхний электрод 1. Биполярное переключение в низкоомное состояние на самом высокоомном уровне сопротивления структуры инициирует образование токового шнура 6 (SET процесс) вследствие заполнения ловушечных уровней, представленных кислородными вакансиями, в локальной области аморфного слоя оксида алюминия 3 (фиг. 2, а).
2. При приложении к структуре напряжения обратной полярности происходит освобождение ловушечных уровней в области токового шнура (RESET процесс) и биполярное переключение в высокоомное состояние.
3. Появление многоуровневости связано с изменением свойств слоя оксида алюминия, которое происходит вследствие дрейфа и изменения концентрации вакансий по кислороду преимущественно в области сформированного при биполярном переключении токопроводящего шнура 6, при дальнейшем увеличении (относительно напряжения SET процесса) отрицательного потенциала на верхнем электроде структуры 1. При этом резервуаром кислородных вакансий является слой оксида титана 4 (фиг. 2, б). Таким образом, при увеличении прикладываемого к структуре напряжения будет происходить изменение концентрации кислородных вакансий в токопроводящем шнуре и, как следствие, изменение уровня сопротивления структуры.
4. Процесс дрейфа кислородных вакансий в слой оксида титана 4 из области токопроводящего шнура 6 (сформированного в слое оксида алюминия) ограничен заполнением вакансий в результате инжекции электронов, что обеспечивает стабильность высокоомного состояния (для биполярного переключения) на новом (более низкоомном) уровне сопротивления структуры.
2
3
2
На фиг. 3 показаны вольт-амперные характеристики мемристивного синапса, измеренные с помощью многофункционального характериографа Keithley 4200-SCS. Так, помимо аналоговой перестройки резистивного состояния Pt/AlO/TiO/Pt структуры в диапазоне семи порядков по величине (фиг.3, а), определяющей уровень электрического сопротивления системы, происходит биполярное переключение сопротивления из высокоомного в низкоомное состояние, соотношение сопротивлений которых составляет один - два порядка по величине (фиг. 3, б). На фиг. 3, б представлены 7 уровней сопротивления мемристивного синапса с соответствующим изменением резистивного состояния при биполярном переключении.
Таким образом, активная область, выполненная на основе тонкопленочной металлооксидной гетероструктуры в виде последовательности слоев оксида титана в фазе анатаза и аморфного оксида алюминия, в сочетании с платиновыми электродами, обеспечивает аналоговое многоуровневое изменение электрического сопротивления и резистивную память мемристивного синапса в существенно более широком диапазоне по сопротивлению (до семи порядков по величине), по сравнению с прототипом.