Увеличение диапазона резистивного переключения мемристора для реализации большего числа синаптических состояний в нейропроцессоре

Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика.


Выпуск:

2019. Том 5. №2

Название: 
Увеличение диапазона резистивного переключения мемристора для реализации большего числа синаптических состояний в нейропроцессоре


Для цитирования: Бобылев А. Н. Увеличение диапазона резистивного переключения мемристора для реализации большего числа синаптических состояний в нейропроцессоре / А. Н. Бобылев, С. Ю. Удовиченко, А. Н. Бусыгин, А. Х. Ибрагим // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 2. С. 124-136. DOI: 10.21684/2411-7978-2019-5-2-124-136

Об авторах:

Бобылев Андрей Николаевич, аспирант кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, заведующий лабораторией НОЦ «Нанотехнологии», Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ScopusID, andreaubobylev@gmail.com

Удовиченко Сергей Юрьевич, профессор кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, руководитель НОЦ «Нанотехнологии», Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ResearcherID, ScopusID, udotgu@mail.ru

Бусыгин Александр Николаевич, аспирант кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, лаборант-исследователь НОЦ «Нанотехнологии», Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ScopusID, a.n.busygin@utmn.ru

Ибрагим Абдулла Хайдар Абдо, аспирант кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, Тюменский государственный университет; abdulla.ybragim@mail.ru

Аннотация:

В переспективном устройстве наноэлектроники — мемристоре на основе оксидов металлов между предельными высокопроводящим и низкопроводящим состояниями имеется множество промежуточных состояний с разной проводимостью. Эти состояния можно использовать в процессах ассоциативного обучения нейросети на основе мемристорных синапсов и одновременной обработки входных импульсов, заключающейся в их взвешивании и суммировании в нейропроцессоре.

Получены тонкие пленки смешанных оксидов, содержащие разное отношение мольных долей титана и алюминия, путем одновременного магнетронного распыления двух катодов в реактивной среде кислорода. Описан метод получения смешанного оксида с заданным содержанием металлов путем контроля скоростей распыления катодов с помощью акустических пьезодатчиков. Показано, что внесение примеси Al в оксид титана улучшает электрофизические характеристики мемристора. Установлено существование оптимальной мольной доли примеси Al, при которой достигается максимальное отношение сопротивлений мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях. Полученные результаты свидетельствуют о том, что реактивное магнетронное осаждение смешанного оксида металлов путем одновременного распыления двух катодов приводит к более равномерному распределению элементов по толщине активного слоя по сравнению с методом атомно-слоевого осаждения, что необходимо для повышения стабильности электрических характеристик мемристора.

Можно ожидать, что в мемристорах на смешанных оксидах TixSc1−xOy, HfxSc1−xOy, HfxY1−xOy, HfxLu1−xOy, ZrxSc1−xOy, ZrxY1−xOy, ZrxLu1−xOy также будет наблюдаться оптимальная доля примеси, соответствующая максимально повышенному отношению сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях. Причем мемристоры на пленках с чистыми оксидами гафния и циркония имеют значительно больший диапазон резестивного переключения, чем оксид титана.

Список литературы:

  1. Гудкова С. А. Исследование структуры и свойств двух и трехкомпонентных оксидов TixAl1−xOy, сформированных методом атомарно-слоевого осаждения: автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук / С. А. Гудкова. Долгопрудный: Московский физико-технический институт, 2011. 20 с.
  2. Мемристор на основе смешанного оксида металлов: пат. 2472254 Рос. Федерация / А. П. Алехин, А. С. Батурин, И. П. Григал, С. А. Гудкова, А. М. Маркеев, А. А. Чуприк; патентообладатель Московский физико-технический институт. № 2011146089/07; заявл. 14.11.2011; опубл. 10.01.2013.
  3. Писарев А. Д. Комбинированный мемристорно-диодный кроссбар как основа запоминающего устройства / А. Д. Писарев, А. Н. Бусыгин, А. Н. Бобылев, С. Ю. Удовиченко // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2017. Том 3. № 4. С. 142-149. DOI: 10.21684/2411-7978-2017-3-4-142-149
  4. Писарев А. Д. SPICE-моделирование процессов ассоциативного самообучения и безусловного разобучения в логическом блоке нейропроцессора / А. Д. Писарев // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Том 4. № 3. С. 132-145. DOI: 10.21684/2411-7978-2018-4-3-132-145
  5. Alekhin A. P. Structural and electrical properties of TixAl1−xOy thin films grown by atomic layer deposition / A. P. Alekhin, A. A. Chouprik, S. A. Gudkova, A. M. Markeev // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2011. Vol. 29. 01A302. DOI: 10.1116/1.3533763
  6. Bobylev A. N. Neuromorphic coprocessor prototype based on mixed metal oxide memristors / A. N. Bobylev, A. N. Busygin, A. D. Pisarev, S. Yu. Udovichenko, V. A. Filippov // International Journal of Nanotechnology. 2017. Vol. 14. № 7/8. Pp. 698-704. DOI: 10.1504/IJNT.2017.083444
  7. Bobylev A. N. The electrical properties of memristor devices TiN/TixAl1−xOy/TiN produced by magnetron sputtering / A. N. Bobylev, S. Yu. Udovichenko // Russian Microelectronics. 2016. Vol. 45. № 6. Pp. 396-401. DOI: 10.1134/S1063739716060020
  8. Fujiwara K. Resistance switching and formation of a conductive bridge in metal/binary oxide/metal structure for memory devices / K. Fujiwara, T. Nemoto, M. J. Rozenberg, Y. Nakamura, H. Takagi // Japanese Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 47. Pp. 6266-6271. DOI: 10.1143/JJAP.47.6266
  9. Gao L. Correlation between diode polarization and resistive switching polarity in Pt/TiO2/Pt memristive device / L. Gao, B. Hoskins, D. Strukov // Physica Status Solidi (RRL) — Rapid Research Letters. 2016. Vol. 10. № 5. Pp. 426-430. DOI: 10.1002/pssr.201600044
  10. Govoreanu B. Vacancy-modulated conductive oxide resistive RAM (VMCO-RRAM): an area-scalable switching current, self-compliant, highly nonlinear and wide on/off-window resistive switching cell / B. Govoreanu, A. Redolfi, L. Zhang, C. Adelmann, M. Popovici, S. Clima, H. Hody, V. Paraschiv, I. P. Radu, A. Franquet, J.-C. Liu, J. Swerts, O. Richard, H. Bender, L. Altimime, M. Jurczak // 2013 IEEE International Electron Devices Meeting. 2013. Pp. 10.2.1-10.2.4. DOI: 10.1109/IEDM.2013.6724599
  11. Hadiyawarman. Recent progress on fabrication of memristor and transistor-based neuromorphic devices for high signal processing speed with low power consumption / Hadiyawarman, F. Budiman, D. G. O. Hernowo, R. R. Pandey, H. Tanaka // Japanese Journal of Applied Physics. 2018. Vol. 52. № 3S2. 03EA06. DOI: 10.7567/JJAP.57.03EA06
  12. Merolla Р. А. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface / P. A. Merolla, J. V. Arthur, R. Alvarez-Icaza, A. S. Cassidy, J. Sawada, F. Akopyan, B. L. Jackson, N. Imam, C. Guo, Y. Nakamura, B. Brezzo, I. Vo, S. K. Esser, R. Appuswamy, B. Taba, A. Amir, M. D. Flickner, W. P. Risk, R. Manohar, D. S. Modha // Science. 2014. Vol. 345. № 6197. Pp. 668-672. DOI: 10.1126/science.1254642
  13. Peng C.-S. Improvement of resistive switching stability of HfO2 films with Al doping by atomic layer deposition / C.-S. Peng, W.-Y. Chang, Y.-H. Lee, M.-H. Lin, F. Chen, M.-J. Tsai // Electrochemical and Solid-State Letters. 2012. Vol. 15. № 4. H88-H90. DOI: 10.1149/2.011204esl
  14. Pickett M. D. Switching dynamics in titanium dioxide memristive devices / M. D. Pickett, D. B. Strukov, J. L. Borghetti, J. J. Yang, G. S. Snider, D. R. Stewart, R. S. Williams // Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 106. 074508. DOI: 10.1063/1.3236506
  15. Waser R. Nanoionics-based resistive switching memories / R. Waser, M. Aono // Nature Mater. 2007. Vol. 6. № 11. Pp. 833-840. DOI: 10.1038/nmat2023