Мемристор - новый наноразмерный элемент многоуровневой нейроподобной логики

УДК 621.377.6

Л. Г. Алексеева, А. С. Иванов, В. В. Лучинин, А. А. Петров, T. Тикёу, T. Набатамэ

Мемристор —

новый наноразмерный элемент многоуровневой нейроподобной логики

Ключевые слова: электронная компонентная база, мемристор, резистивная память, многоуровневое переключение сопротивления, нейроморфная логика.

Keywords: electronic component base, memristor, resistive random access memory, multi-level resistive switching, neuromorphic logic.

Представлены экспериментальные результаты по созданию новой электронной компонентной базы — мемристорных структур — как основы резистивной памяти произвольного доступа (ReRAM) для компьютерных платформ нового поколения. В работе мы представляем результаты исследования биполярного и многоуровневого переключения сопротивления в двухслойных МОМ-структурах на основе тонких пленок Al2Oз и TiO2, полученных методом атомно-слоевого осаждения. Свойства структур коренным образом зависит от последовательности осаждения оксидных слоев в результате технологии MOM-структур. В обоих случаях структуры показывают воспроизводимое и стабильное переключение в течение не менее 100 циклов. Система Pt—Al2Oз—TiO2—Pt проявляет биполярное переключение сопротивления с двумя устойчивыми состояниями с высоким и низким сопротивлениями. Система Pt—TiO2—^2С3—Pt демонстрирует многоуровневое переключение сопротивления с большим количеством стабильных энергонезависимых состояний, контролируемых прикладываемым напряжением.

Введение

Физическими ограничениями работы современных компьютерных платформ являются:

• ограничение по плотности хранимой информации, реализуемой в бытовой форме с обеспечением двух уровней состояний в одной логической ячейке;

• ограничение по скорости обработки информации из-за необходимости обмена между оперативной и долговременной памятью;

• ограничение по требуемому энергопотреблению, необходимому для генерации и управления перемещением электрического заряда как физического базиса хранения данных и обработки информации.

В настоящее время появились предпосылки к созданию альтернативной энергонезависимой памяти на основе так называемых мемристорных элементов — резисторов с памятью (Memory resistors), основной функцией которых является хранение данных в ячейках с многоуровневыми логическими состояниями за счет изменения сопротивления материала, а не электрического заряда.

Полученные экспериментальные результаты обеспечивают родство реализации процессов хранения, обработки и передачи информации в неорганических наноразмерных структурах с элементами «нейроподобной логики», что определило значительный интерес к практической разработке так называемой нейроморфной мемристорной компьютерной платформы.

Цель работы — ознакомление читателей мульти-дисциплинарного журнала «Биотехносфера» с прогрессивными тенденциями в области создания энергонезависимой памяти нового поколения — бионических информационных наносистем с элементами нейроподобной логики.

Мемристор — новый представитель электронной компонентной базы

Мемристор был постулирован в 1971 г. Леоном Чуа [1—3], но вызвал значительный интерес только после ряда работ Стенли Вильямса и группы исследователей лаборатории HP [4], заявивших о создании твердотельной структуры, реализующей мем-ристорные свойства. Предполагается, что наблюдаемые уже более 40 лет эффекты переключения и памяти в МОМ-структурах — это проявление мемристивности. Тот факт, что наблюдаются они при варьировании большого числа материалов тонких пленок оксидных слоев (ZnO, NiO, SiO2, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Pro 7Cao 3MnO3 и др.) и электродов (Pt, Au, Ag, Al, TiN и др.), говорит в пользу гипотезы Л. Чуа о существовании четвертого базового

74

Нанотехнологии и наноматериалы

элемента электрических цепей [5—19]. Это стимулирует интерес к поиску возможных механизмов, ответственных за эффекты переключения и памяти в структурах МДМ. Существуют различные теории и физические модели, объясняющие механизмы переключения сопротивления в подобных устройствах. К наиболее известным можно отнести модели проводимости с механизмами формирования и разрыва проводящих нитей в пределах активного слоя [19, 20], модуляции барьеров Шоттки [21, 22], связанные с процессами заполнения и освобождения ловушек [16], основанные на переходах Мотта—Андерсона [17], а также на протекании термохимических и электрохимических окислительно-восстановительных реакций [23, 24].

Для лучшего понимания механизмов переключения сопротивления (как би-, так и униполярных процессов) наиболее подходят модели, основанные на формировании и разрыве нитей проводимости. Речь идет о вариации концентрации кислородных вакансий в «каналах проводимости». Последнее является общим местом и признается большинством исследователей как основной механизм, приводящий к переключению сопротивления в структурах МДМ. Однако дискуссия возникает при обсуждении механизмов управления «каналами проводимости»: формирование и разрыв, изменение свойств материала и т. п. Добавляет накала в дискуссию наблюдаемое разделение эффекта на биполярное и униполярное переключения — в зависимости от полярности прикладываемого напряжения для обратного переключения. Все это усложняется возможными зависимостями от материала и толщины рабочего слоя (оксида), размера верхнего электрода и т. п. Хотя многие вопросы все еще остаются без ответа, можно уверенно констатировать, что как тип, так и концентрация точечных дефектов в пределах слоя имеют прямое отношение к процессам переключения.

Помимо механизмов переключения, существует и ряд других нерешенных проблем, затрудняющих выход на рынок высокоинтегрированной памяти (КвКЛМ). К ним относятся интеграция и совместимость с существующей технологией, неоднородность при переключении структур, нестабильность пара-

метров ячеек памяти. Особо следует отметить необходимость в большинстве случаев применять электроформовку (подачу импульсов большой амплитуды и определенной полярности), что представляет проблему неоднозначности параметров сформированных структур энергонезависимой памяти. Несмотря на обилие нерешенных проблем, интерес к приборной реализации, оптимизации рабочих структур мемристоров с использованием разных методов синтеза активной среды (чаще всего оксидов), разнообразных конфигураций многослойных структур, вариации конструктивных особенностей устройств не ослабевает. Это позволяет надеяться на создание универсального устройства памяти, которое является энергонезависимым (как Flash), предлагает быстрое программирование и время доступа (как SRAM), высокую плотность и низкое энергопотребление. Если такая универсальная память осуществима, она сможет не только заменить Flash, но, возможно, и DRAM, а значит, она сможет выступать в качестве универсального носителя, т. е. заменить Flash, оперативную память DRAM и жесткий диск и в конечном счете изменить принципы вычислительных систем. Резюмируя, можно с уверенностью говорить о том, что именно резистивная память произвольного доступа (ReRAM) является кандидатом на такую универсальную память.

В завершении раздела приведем таблицу сравнения параметров используемой и перспективной памяти, понимая, что их значения для последней являются ориентировочными.

Физико-технологические основы создания мемристорно-логического элемента

Далее представлены полученные авторами статьи результаты по реализации элементов резистив-ной памяти на базе мемристорных двухслойных структур ТЮ2/А12О3 и А12О3/ТЮ2, изготовленных методом атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition, ALD).

Схематические изображения используемых в работе двухслойных структур приведены на рис. 1.

Параметр Flash NOR Flash NAND MRAM PCM FeRAM ReRAM

Площадь ячейки, Е2 10 4 20 ^ 8 4 22 4-8

Количество циклов перезаписи 105 104 >1012 109 >1014 1012

Затраты энергии на бит, пДж 100 100 2 6 0,03 0,1

Напряжение записи (перезаписи), В 10 15 1,8 3 1,3-3,3 1-1,5

Напряжение считывания, В 1,8 1,8 1,8 1,2 1,3-3,3 0,1-0,5

Время перезаписи 1 мкс - 10 мс 0,1-1 мс 35 нс 100 нс 40 нс 1-10 нс

Время хранения, лет 10 10 >10 >10 10 > 10

SiO2 (100 нм) / p-Si (100) Ti (10 нм) / Pt (100 нм) Оксид

а — TiO2 б — TiO2/Al2O3 в — Al2O3/TiO2

Отжиг в среде О2

при 200 °С в течение 30 с

Pt, Al, Au

Площадь ~ 10 4 см2

а)

Pt

TiO2

Pt Ti

TiO2

30 нм 60 нм

б) Pt

TiO2 Pt

в)

Pt, Al, Au

Al2O3 TiO2

Pt

pS-iOS2i

TiO2-Al2O3 30/5 нм 60/5 нм

5/30 нм 5/60 нм

Рис. 1

Технологическая карта синтеза структур. Наноразмерные мемристор-ные структуры

Al2O3-TiO2

Вариация последовательности слоев оксидов алюминия и титана преследовала исследовательские цели. Предполагалось, что это позволит расширить функциональные возможности и повысить основные параметры рабочих структур с эффектом резис-тивного переключения и памяти. Формально системы Pt—TiO2—Al2O3—Pt и Pt—Al2O3—TiO2—Pt являются симметричными, однако имеют различные электрические свойства, например: значение сопротивления структур после изготовления отличается на семь порядков.

Структуры Pt—AI2O3—TiO2—Pt. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) структур Pt—AI2O3—TiO2—Pt типична для мемристоров, демонстрирует биполярное переключение сопротивления между двумя устойчивыми энергонезависимыми состояниями (рис. 2, а). Именно такое поведение является базовым для создания энергонезависимой резистивной памяти. Устойчивое биполярное переключение сопротивления с отношением -Ron/-Roff = 102, управляемое небольшим напряжением ± 0,8 В, наблюдалось после предварительного проведения двухстадийной

электроформовки. Сопротивление в высокоомном

3

состоянии (HRS) составляло 2 • 103 Ом, а в низко-омном состоянии (LRS) — 2,8 • 10 Ом.

Включение (set) происходит, когда на верхний электрод подается + 0,8 В (рис. 2, б). Система в этом

случае изменяет состояние от HRS до LRS. Сопро-

3

тивление изменяется на два порядка: от 2 • 103 до 2,8 • 10 Ом. Противоположное переключение (reset) происходит при подаче -0,8 В, и система возвращается к HRS (рис. 2, в). В этом типе структур происходит устойчивое переключение между двумя состояниями, причем оба состояния достаточно долго демонстрируют эффект энергонезависимой памяти.

Структуры Pt—TiO2—AI2O3—Pt. В предыдущем случае TiO2 был активным слоем, обеспечивающим переключение и память. В этом типе структур с противоположным расположением TiO2 и слоев Al2O3 сопротивление структур более чем на семь порядков выше по значению. Очевидно, что такое сопротивление может обеспечить только слой Al2O3, поскольку его удельное сопротивление 1013-1015 Ом • см (сопротивление для окси-4 7

да титана 104-107 Ом • см). Удельное сопротивление нелегированного анатаза и рутила находится 47

в диапазоне 104-107 Ом • см, но при формировании

3+ -1

Ti3 оно уменьшается до 10 1 Ом • см для анатаза и до 102 Ом • см для рутила [25].

Есть основания полагать, что активный переключающийся слой в этом случае — Al2O3, а слой TiO2 выступает в качестве резервуара кислородных вакансий. Эта структура уверенно демонстрирует многоуровневое переключение, причем без предварительного проведения формовки. Это означает, что изготовленная двухслойная структура такого типа готова к переключению непосредственно после ее синтеза (рис. 3, а), т. е. формовка осуществляется уже на этапе технологии: синтез и высокотемпературный отжиг. Такая технология является, очевидно, предпочтительной (в смысле согласования с «классической» КМОП-технологией) при создании специализированных вычислительных систем.

Включение (set) для структур Pt—TiO2—Al2O3— Pt происходит при отрицательном напряжении на-верхнем электроде, а возврат (reset) — при положительном напряжении, т. е. переключение по часовой стрелке (в то время как в предыдущем случае — против часовой стрелки). Эти циклы устойчиво повторяются с изменением сопротивления на семь

Нанотехнологии и наноматериалы

а)

0,06 0,04 0,02

<< 0

к о

н

-0,02 -0,04 -0,06

4-LRS

8Ц 7- + j Jtreset

9

-2

0

Uff U

Напряжение, В

TiO2

Al2O3 Pt

г)

Al2O3

TiO2 TiO2

2O3 Pt

Толщина TiO2 60 нм

Толщина Al2O3 5 нм

Переключение Биполярное

Voff/Von -0,8/0,8 B

Roff/Ron 2 • 103/2 • 103 Q

Pt

BE

TiO,

3,08 eV

3,75 eV

Pt

TE

Рис. 2

ВАХ системы Pt-Al2O3-TiO2-Pt

а)

10"

10"

к 10-

о Н

10-

10-12г-

10-

set III

set II

reset II

reset I

reset III

set I

101

S 1011 о

и н е

5 109

и

н

о

6

о О

107

10

5

/off-1

on/off-2 on/off-3

on/off-5 on/off-6

on/off-7

-4 U- U2on-2 uon-l 0 1 Uf 2 Uf Uf 4

Напряжение, В

10 15

Номер импульса

20

Рис. 3

ВАХ в полулогарифмическом масштабе структуры Pt—ТЮ2—A^O3—Pt

12 5

порядков по значению, т. е. от 8 • 10 до 6 • 105 Ом. Уровень переключения зависит от напряжения (рост по абсолютному значению), уменьшающего запоминаемое сопротивление.

Электронная компонентная база мемристорной нейроморфной платформы

С использованием двухслойных МОМ-структур Р1—ТЮ2—Л1203—Р1 и Р1—Л1203—ТЮ2—Р1 с заметно различающимися свойствами получены мем-ристивные структуры с устойчивым переключением, что открывает перспективы создания многоуровневых систем на основе многослойных структур. Создание современной элементной базы микро- и наноэлектроники, основанной на новых физических принципах, открывает неограниченные перспективы по повышению параметров устройств

энергонезависимой памяти и разработке аналоговых вычислительных систем, в том числе нейро-морфных.

Конечной целью создания нового электронного компонента — мемристора — энергонезависимого устройства памяти, функционирование которого основано на изменении (переключении) сопротивления, является формирование мемристорных систем, обеспечивающих ранее недостижимые параметры и возможности:

• энергонезависимость и энергоэффективность (хранение в памяти не заряда, а состояния, соответствующего определенной проводимости);

• многоуровневость логических состояний (хранение в одной ячейке памяти более одного бита информации);

• сверхвысокая плотность записи информации (многослоевая трехуровневая композиция с минимальным энерговыделением);

2

0

5

• сверхвысокая скорость обмена данными (интеграция оперативной и долговременной памяти);

• неограниченное время хранения информации (хранение не заряда, а уровня сопротивления).

Совокупность вышеуказанных функциональных возможностей определила перспективы так называемой нейроморфной мемристорной компьютерной платформы.

К основным особенностям новой компьютерной платформы следует отнести:

• ОЗУ на мемристорных ячейках памяти (кросс-барах);

• оптическую систему коммутации функциональных модулей;

• новую компьютерную архитектуру и технологию вычислений, включая:

интеграцию оперативной и долговременной

памяти и новую технологию их обмена;

архитектуру, в которой память играет ключевую роль в выполнении вычислений; новую технологию хранения данных;

• новую операционную систему.

Основным исполнителем проекта, получившего название Machine, является лаборатория LAB8 фирмы HP.

Значительную роль в реализации проекта отводится фирме Sandisk, которая взяла на себя разработку технологии SCM (Storage Class Memory) в целях построения системы по технологии Memory Driving Computing. Из разработчиков программного обеспечения, ориентированного на ней-роморфную мемристорную компьютерную платформу, следует отметить Бостонский университет, создающий специализированное программное обеспечение MONETA (Modular Neural Exploring Traveling Agent) для мемристорной памяти в целях имитации элементов функциональной деятельности «мозга» млекопитающих. В рамках эволюции компьютерных платформ, безусловно, следует отметить европейский Flagship-проект (The EU Human Brain Project) в рамках программы HORIZON 2020. Значительную роль в реализации проекта играют нейроморфные физические модели (например, 20-уровневая нейронная искусственная сеть с базовым уровнем 4 миллиона нейронов и 1 миллиард синапсов) и компьютерные кластеры (4 Tflop/s).

В качестве основных информационно-коммуникационных платформ, ориентированных на нейро-морфные компьютерные среды с различной кон-структорско-технологической реализацией, определены:

• нейроинформационная платформа;

• медицинская информационная платформа;

• платформа для моделирования мозга;

• платформа высокопроизводительных вычислений;

• нейроморфная вычислительная платформа;

• нейроробототехническая платформа.

Представленные экспериментальные результаты [26, 27] по созданию мемристорных структур как основы новой нейроморфной компьютерной платформы получены авторами статьи, представляющими NIMS (Национальный институт материаловедения, Япония) и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет («ЛЭТИ») в рамках реализации международного проекта «Управляемый синтез мемристорных структур на основе наноразмерных композиций оксидов металлов путем осаждения атомных слоев» (работа выполнялась в рамках проекта 14.584.21.0005, финансируемого Минобрнауки РФ).

Литература

1. Chua L. O. Resistance switching memories are memristors // Appl. Phys. A. 2011. N 102. P. 765783.

2. Chua L. O. Circuit Theory // IEEE Trans. 1971. N 18. P. 507.

3. Chua L. O., Kang S. M. // Proc. IEEE. 1976. N 64. P. 209.

4. Strykov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. // Nature. 2008. N 453. P. 8083.

5. Lin C. Y., Wu C. Y., Lee T. C., Yang F. L. [et al.]. // IEEE Electron Device Lett. 2009. N 28. P. 366.

6. Liu Q., Long S., Wang W. [et al.]. // IEEE Electron Device Lett. 2009. N 30. P. 1335.

7. Lin C. Y., Wu C. Y., Tseng T. Y., Hu C. // Appl Jurn. Phys.

2007. N 102. P. 094101.

8. Wang S. Y., Lee D. Y., Tseng T. Y., Lin C. Y. // Appl. Phys. Lett. 2009. N 95. P. 112904.

9. Wu M. C., Lin Y. W., Jang W. Y. [et al.]. // IEEE Electron Device Lett. 2011. N 32. P. 1026.

10. Panda D., Dhar A., Ray S. K. // IEEE Trans. Nanotechnol. 2011. N 11. P. 51.

11. Kim K. M., Choi B. J., Jeong D. S. [et al.]. // Appl. Phys. Lett. 2006. N 89. P. 162912.

12. Choi B. J., Choi S., Kim K. M. // Appl. Phys. Lett. 2006. N 89. P. 012906.

13. Sawa A., Fujii T., Kawasaki M., Tokura Y. // Appl. Phys. Lett. 2004. N 85. P. 4073.

14. Lin M. H., Wu M. C., Lin C. H., Tseng T. Y. // Jurn. Appl. Phys. 2010. N 107. P. 12411.

15. Lin M. H., Wu M. C., Lin C. H., Tseng T. Y. // IEEE Trans. Electron Device. 2010. N 57. P. 1801.

16. Xu N., Liu L. F., Sun X. [et al.]. // Semicond. Sci. Technol. 2088. N 23. P. 075019.

17. Chen M. C., Chang T. C., Tsai C. T. [et al.]. // M. Jurn. Tsai. Appl. Phys. Lett. 2010. N 96. P. 262110.

18. Panda D., Dhar A., Ray S. K. // Jurn. Appl. Phys. 2010. N 108. P. 104513.

19. Ielmini D., Nardi F., Cagli C. // Nanotechnology. 2011. N 22. P. 254022.

20. Zhirnov V. V., Reade R., Cavin R. K., Sandhu G. // Nano-technology. 2011. N 22. P. 254027.

21. Kim D. C., Seo S., Ahn S. E. [et al.]. // Appl. Phys. Lett. 2006. N 88. P. 202102.

22. Lee S. B., Lee J. S., Chang S. H. [et al.]. // Appl. Phys. Lett. 2011. N 98. P. 033502.

23. Waser R. Electrochemical and thermochemical memories // IEEE International Electron Devices Meeting. Tech. Dig.

2008. P. 289292.

24. Waser R., Aono M. Nanoionics-based resistive switching memories // NatureMater. 2007. N 6. P. 833840.

25. Tang H., Prasad K., Sanjines R. [et al.]. Electrical and optical properties of TiO2 anatase thin films / / Journ. of Applied Physics. 1994. Vol. 75, N 4. P. 2042-2047.

26. Alekseeva L., Chigirev D., Chikyow T. [et al.]. Resistive switching and memory effects in metal oxide thin films grown by atomic-layer deposition. INC 11 Japan NanoDay, Hilton Fukuoka Sea Hawk, Fukuoka, Japan, May 11-13, 2015.

27. Alekseeva L., Petrov A., Romanov A. [et al.]. Resistive Switching and Memory Effects in BE-Pt/Al2O3/TiO2/Pt-TE and BE-Pt/TiO2/Al2 03/Pt-TE Systems Fabricated by Atomic Layer Deposition, DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES (SCIENCE AND TECHNOLOGY) IWDTF-2015, November 2-4, 2015, Miraikan, National Museum of Emerging Science and Innovation, Tokyo, Japan. P. 65-66.

№ 3-4(45-4E)/2016 |

6uoTexHoc0epa