Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга

УДК 004.335; 004.8; 621.382 А.Н. Бобылев, С.Ю. Удовиченко

Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга

Статья посвящена исследованию в области твердотельной нейроморфной электроники. Затронуты требования к стабильности и воспроизводимости характеристик твердотельных аналогов синапсов - мемристоров и способы получения устройств, соответствующих этим требованиям. Описываются результаты эксперимента по получению тонкопленочного электронного устройства на основе смешанного оксида металлов Al:TiO2. Представлены вольт-амперные характеристики твердотельного элемента и отмечена существенная нелинейность этих характеристик. Описаны зависящие от времени эффекты в процессах переключения мем-ристора. Указаны свойства живых синапсов, воспроизведенные в твердотельном элементе, и возможность использования полученного мемристора, как суммирующего элемента искусственного нейрона.

Ключевые слова: реактивное магнетронное распыление, мемристор, синапс.

В области информационных технологий одним из приоритетных направлений является создание компьютеров нового поколения, нейросетей и искусственного интеллекта. Использование аналоговых элементов нейронных сетей позволяет оптимизировать процесс обработки команд в сравнении со стандартной КМОП логикой. Основу предлагаемых нейроморфных систем составляют мемристоры (memory resistor) - двухполюсные устройства, электрическое сопротивление которых обратимо изменяется от состояния с высоким сопротивлением (HRS) до состояния с низким сопротивлением (LRS) в зависимости от проходящего через него тока. Посредством снижения сопротивления мемристора в узлах нейросети формируется связь, устойчивость и вес которой зависят от свойств мемристора. При повышении сопротивления мемристора происходит забывание или торможение. В таких устройствах информационный и управляющий сигналы могут быть объединены -возможно самообучение системы.

Впервые в [1] экспериментально было показано, что мемристивный эффект возникает в нано-размерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения отрицательных ионов кислорода в тонком диэлектрическом слое толщиной ~5 нм диоксида титана TiO2 при приложении электрического поля. В настоящее время для мемристоров обоснованы две области применения: энергонезависимая универсальная память, призванная заменить существующие ОЗУ и ПЗУ, и ней-роморфные структуры - устройства, в которых прохождение и изменение информационного сигнала подчиняются той же логике, что и процессы в нервной системе живых существ. Высшим развитием последнего направления могут считаться кортикоморфные структуры, эмулирующие работу кортикальных колонок головного мозга.

Электрические свойства мемристора. Архитектура кортикальных колонок включает в себя десятки тысяч синаптических элементов, параметры которых должны быть предсказуемы. Поэтому к искусственным аналогам таких элементов предъявляются требования высокой стабильности и воспроизводимости характеристик. Для создания вычислительных систем на основе мемристоров в [2] предложен материал с относительно высокими стабильностью и повторяемостью характеристик на основе смешанного оксида металлов Ti0.85Al0.15Oy толщиной 20 нм, нанесенный на кремниевую подложку методом атомарно-слоевого осаждения. В [3] приведены данные, показывающие, что при легировании оксида четырехвалентного переходного металла алюминием уменьшается энергия связи атомов основного металла и кислорода, а также увеличивается концентрация кислородных вакансий вокруг атомов примеси. Это приводит к снижению напряжения переключения устройства и увеличению отношения HRS/LRS, т.е. увеличению рабочего диапазона мемристора.

Создание электронного устройства. В настоящей работе методом одновременного реактивного магнетронного распыления катодов из алюминия и титана в среде кислорода в магнетронном модуле комплекса «НаноФаб-100» получен тонкопленочный материал из смешанного нестехиометри-ческого оксида Ti0,92Al0,08O^96. Материал обладает более высокой по сравнению с приведенными в

[2] стабильностью и воспроизводимостью характеристик из-за отсутствия примесей и равномерного распределения элементов по толщине пленки.

С помощью литографического комплекса «Nanomaker» совместно с электронным микроскопом JSM-6510LV, магнетронного модуля НТК «НаноФаб-100» создано электронное устройство TiN/TixAl1-xOy/TiN: активный мемристорный слой в виде пленки смешанного оксида металлов с тремя проводящими дорожками сверху и четырьмя снизу.

Для поддержания обратимости ионного переноса между металлическими электродами и рабочей пленкой методом магнетронного напыления помещен тонкий слой нитрида титана. Толщина рабочей пленки Ti0,92Al0,08O1)96 составляет 20 нм, пленки TiN - 30 нм. В производстве микроэлектронных устройств подслой TiN между металлизацией и активным полупроводниковым слоем традиционно применялся для затруднения диффузии металла в полупроводник [4]. В статье [5] роль нитрида титана сводится к образованию пленки TiOxN1-x, затрудняющей дрейф кислорода.

Исследование свойств мемристора. С помощью зондового микроскопа NTegra Aura были исследованы вольт-амперные характеристики полученной гетероструктуры. Обнаружено, что исследуемая структура обладает выраженным эффектом мемристивности - при достижении граничного напряжения в пленке Ti0,92Al0,08O1)96 приблизительно на три порядка снижается электрическое сопротивление. Достигнутое состояние сохраняется при приложении напряжения, существенно меньшего, чем требуется для переключения состояния. Такое состояние сохраняется в течение продолжительного времени и является обратимым.

На рис. 1 представлена вольт-амперная характеристика структуры, иллюстрирующая процесс переключения мемристора. На ВАХ виден гистерезис токов между прямой и обратной ветками на-гружения. На рис. 2 показана ВАХ открытого мемристора в диапазоне напряжений меньших, чем напряжение переключения.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика Рис. 2. ВАХ открытого мемристора

переключения мемристора

Важно отметить нелинейность ВАХ, обусловленную вкладом слоев нитрида титана, создающих барьеры Шоттки на границах с металлическими проводящими дорожками.

Выводы. Подобие свойств синапса и мемристора. Электрические характеристики мемристора определяются предысторией его функционирования, что подобно свойствам синапса.

При исследовании ВАХ мемристора были обнаружены следующие эффекты:

1. Эффект сохранения состояния при подаче импульсов напряжения с амплитудой меньше напряжения переключения, что соответствует импульсации в нервных клетках. Такие импульсы позволяют производить считывание состояния отдельного мемристора и сохранять в нем требуемое состояние неограниченное время.

2. Релаксация состояния: при снятии напряжения с мемристора под действием кулоновских сил ионы кислорода вытесняются из депо Т1К и их концентрация стремится к равновесной по толщине активной пленки. Время релаксации составляет от 0,8 с до десятков минут в зависимости от толщины пленки и может быть дополнительно увеличено на несколько порядков введением между пленками Т10)92А10)08О1>96 и Т1К мембранного слоя ТЮ, затрудняющего диффузию вакансий [5].

Описанный эффект позволяет говорить о существовании кратковременной и долгосрочной памяти в полученных мемристорах. О возможности существования эффекта кратковременной памяти в мемристорах сообщалось в работах [6] и [7], где также дано и обосновано сравнение принципов работы синапса и типового мемристора.

Если подать повторный зондирующий импульс с некоторой задержкой после первоначального включения мемристора (см. рис. 1), то можно обратить процесс релаксации его состояния. ВАХ мемристора при подаче импульсов с разными задержками представлены на рис. 3. В случае а задержка больше, чем в б.

1

df

f

?

0 1 к в

а б

Рис. 3. ВАХ мемристора при подаче повторного зондирующего импульса с разной задержкой

При подаче импульса с минимальной задержкой состояние мемристора не релаксирует и ВАХ соответствует состоянию включенного мемристора.

3. В области рабочих напряжений ВАХ исследуемого мемристора нелинейна, что позволяет гибко регулировать выходной ток мемристора при незначительном изменении уровня входного сигнала. Такое изменение позволит более гибко подходить к формированию цепочек из нескольких связанных мемристоров, по которым передается восходящий сигнал в многослойной нейроморфной структуре. Кроме того, график нелинейной ВАХ открытого мемристора может быть апроксимиро-ван с высокой точностью функцией гиперболического тангенса. Известно [8], что гиперболический тангенс используется в качестве суммирующей функции в математической модели искусственного нейрона с выходным сигналом, препятствующим насыщению.

Таким образом, можно заключить, что созданная гетероструктура обладает следующими свойствами синапса: возможностью формирования кратковременного и долговременного возбуждения и обучаемостью при последующем повторном иннервировании. Кроме того, ВАХ синтезированной структуры совпадает с используемой в моделировании нейроморфных систем суммирующей функцией нейрона. Это позволит использовать мемристор не только в качестве синапсов, но и в качестве суммирующего элемента искусственных нейронов.

Литература

1. The missing memristor found / D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams // Nature. -2008. - Vol. 453. - Р. 80-83.

2. Пат. 2 472 254 РФ, МПК H 01 L 45/00, B 82 B 1/00. Мемристор на основе смешанного оксида металлов / А.П. Алехин (РФ), А.С. Батурин (РФ), И.П. Григал (РФ) и др. - № 2 011 146 089/07, заявл. 14.11.2011; опубл. 10.01.2013. Бюл. № 1. - 12 с.

3. Improvement of resistive switching stability of HfO2 films with Al doping by atomic layer deposition / C.-S. Peng, W.-Y. Chang, Y.-H. Lee et al. // Electrochemical and Solid-State Letters. - 2012. -Vol. 15, № 4. - Р. H88-H90.

4. Kouno T. Effect of TiN microstructure on diffusion barrier properties in Cu metallization / T. Kouno, H. Niwa, M. Yamada // Journal of The Electrochemical Society. - 1998. - Vol. 145, № 6. -P.2164-2167.

5. Roles of interfacial TiOxNi-x layer and TiN electrode on bipolar resistive switching in TiN/TiO2/TiN frameworks / S.K. June, H.D. Young, Ch.B. Yoon et.al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. -Vol. 96, № 22. - 223502.

6. Chang T. Short-term memory to long-term memory transition in a nanoscale memristor / T. Chang, S.-H. Jo, W. Lu // ACS Nano. - 2011. - Vol. 5, №9. - P. 7669-7676.

7. Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems / S.-H Jo, T. Chang, I. Ebong et.al. // Nano Lett. - 2010. - Vol. 10, №4. - P. 1297-1301.

8. Миркес Е.Н. Нейрокомпьютер. Проект стандарта. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 337 с.

Бобылев Андрей Николаевич

Аспирант каф. МНТ, ТюмГУ

Тел.: +7-922-046-19-97

Эл. почта: andreaubobylev@gmail.com

Удовиченко Сергей Юрьевич

Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. МНТ, рук. НОЦ «Нанотехнологии», ТюмГУ Тел.: +7-922-004-46-74 Эл. почта: udotgu@mail.ru

Bobylev A.N., Udovichenko S.Y.

The creation of an electronic memory device with properties similar to organic synapse

The paper is devoted to research in the field of solid-state neuromorphic electronics. The requirements for stability and reproducibility of the characteristics of solid-state analogues of synapses - memristors and meeting these requirements devices fabrication methods are discussed. The experiment of obtaining multilayer thin-film electronic device based on mixed metal oxide Al:TiO2 and its results are described. The current-voltage curves of the obtained solid element are presented and significant non-linearity of these CVCs is noted. Time-dependent effects in memristor switching process are described. The organic synapse properties reproduced in solid element and possibility of the fabricated device usage as a summing element of an artificial neuron are described.

Keywords: reactive magnetron sputtering, memristor, synapse.