RU202461U1 - Memristive synapse - Google Patents
Memristive synapse Download PDFInfo
- Publication number
- RU202461U1 RU202461U1 RU2020132649U RU2020132649U RU202461U1 RU 202461 U1 RU202461 U1 RU 202461U1 RU 2020132649 U RU2020132649 U RU 2020132649U RU 2020132649 U RU2020132649 U RU 2020132649U RU 202461 U1 RU202461 U1 RU 202461U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistance
- switching
- memristive
- synapse
- layer
- Prior art date
Links
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 title claims abstract description 25
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 5
- MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N O.O.O.[Al] Chemical compound O.O.O.[Al] MXRIRQGCELJRSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 14
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 13
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 abstract description 5
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 abstract description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 6
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 230000003956 synaptic plasticity Effects 0.000 description 2
- -1 tantalum cations Chemical class 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910001460 tantalum ion Inorganic materials 0.000 description 1
- MNWRORMXBIWXCI-UHFFFAOYSA-N tetrakis(dimethylamido)titanium Chemical compound CN(C)[Ti](N(C)C)(N(C)C)N(C)C MNWRORMXBIWXCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
- H10B63/82—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays the switching components having a common active material layer
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices without a potential-jump barrier or surface barrier, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/20—Multistable switching devices, e.g. memristors
Abstract
Мемристивный синапс относится к области микро- и наноэлектроники, а именно, к разработке элементной базы для аппаратной реализации нейрокомпьютерных (нейроморфных) систем. Мемристивный синапс (мемристивный элемент с адаптивными свойствами) на основе тонкопленочных металлооксидных гетероструктур (Pt/TiO2/Al2O3/Pt) может использоваться в качестве электронного эквивалента синапса при реализации архитектуры нейроморфных систем.Мемристивный синапс содержит платиновые электроды и активную область, выполненную в виде последовательности тонкопленочных слоев оксидов титана и алюминия. Для достижения адаптивного изменения уровня сопротивления элемента - мемристивного синапса используется слой оксида титана в фазе анатаза, толщиной от 20 до 60 нм, который формируется методом атомно-слоевого осаждения поверх нижнего электрода и служит резервуаром кислородных вакансий для переключающегося слоя. Активным (переключающимся) слоем является аморфный слой оксида алюминия, толщиной от 4 до 6 нм, выполненный поверх слоя оксида титана, методом атомно-слоевого осаждения. Аналоговая (многоуровневая) перестройка резистивного состояния мемристивного синапса обеспечивается путем контролируемого изменения концентрации кислородных вакансий в токовом шнуре, формируемом при биполярном переключении относительно наиболее высокоомного уровня сопротивления элемента. Заявляемая полезная модель обеспечивает увеличение диапазона энергонезависимого переключения сопротивления мемристивного синапса до 7 порядков по величине, стабильность промежуточных по сопротивлению уровней и не требует процедуры дополнительной предварительной электрической «формовки» для активации эффектов резистивного энергонезависимого переключения. 3 илл.The memristive synapse belongs to the field of micro- and nanoelectronics, namely, to the development of an element base for the hardware implementation of neurocomputer (neuromorphic) systems. A memristive synapse (memristive element with adaptive properties) based on thin-film metal oxide heterostructures (Pt / TiO2 / Al2O3 / Pt) can be used as an electronic equivalent of a synapse in the implementation of the architecture of neuromorphic systems. The memristive synapse contains platinum electrodes and an active region made in the form of a sequence of thin-film layers of titanium and aluminum oxides. To achieve an adaptive change in the resistance level of an element - a memristive synapse, a titanium oxide layer in the anatase phase is used, with a thickness of 20 to 60 nm, which is formed by atomic layer deposition over the lower electrode and serves as a reservoir of oxygen vacancies for the switching layer. The active (switching) layer is an amorphous layer of aluminum oxide, 4 to 6 nm thick, made on top of the titanium oxide layer by atomic layer deposition. Analog (multilevel) restructuring of the resistive state of the memristive synapse is provided by a controlled change in the concentration of oxygen vacancies in the current filament formed during bipolar switching relative to the highest resistance level of the element. The claimed utility model provides an increase in the range of nonvolatile switching of the memristive synapse resistance up to 7 orders of magnitude, stability of intermediate resistance levels and does not require an additional preliminary electrical "shaping" procedure to activate the effects of resistive nonvolatile switching. 3 ill.
Description
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.The utility model belongs to the field of a promising electronic component base and can be used to create the main element - a memristive synapse in the hardware implementation of the architecture of artificial neural networks for organizing neuromorphic computations. The main property of the proposed solution for a memristive synapse is its unique (exceptional) adaptive properties in a wide range of resistance, which makes it possible to realize the possibility of synaptic plasticity when using a memristive synapse as an electronic equivalent of a biological synapse in the construction of neuromorphic processing devices. Adaptive properties mean the possibility of an analog multilevel change in the electrical resistance of the structure under the action of an applied voltage and storing the resistive state obtained in this way, which is stable over time.
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 (ROFF) и наиболее низкоомном состояниях (RON), не превышающего одного порядка по величине.There is a known method of forming memristors with multilevel switching of resistance based on the structure "metal - insulator - metal", in which a "solid state alloy Si: Me" with a predetermined profile of the concentration of metal Me by thickness is used as an insulator ("Method of forming a memristor based on a solid state alloy Si: Me and the structure of a memristor based on a solid state alloy Si: Me ", patent No. RU 2540237, publ. 10.02.2015). The structures formed by the proposed method do not require an electric forming step and provide 5 different levels of resistance. The disadvantage of memristors obtained by this method is the small difference in the resistance of the structure in the most high-resistance (R OFF ) and the lowest-resistance states (R ON ), which does not exceed one order of magnitude.
Известен «Способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл - нестехиометрический оксид» (патент № RU 2666165, опубл. 06.09.2018). Мемристивные структуры Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr допускают аналоговое (многоуровневое) изменение резистивного состояния, однако обладают достаточно малым отношением сопротивлений ROFF/RON ≈ 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.The known "Method for forming a synaptic memristor based on a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite" (patent No. RU 2666165, publ. 09/06/2018). Memristive structures Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr admit an analog (multilevel) change in the resistive state, however, they have a rather small resistance ratio R OFF / R ON ≈ 20, which limits the range of setting the weighting coefficients of synaptic memristors during their subsequent implementation into the architecture of neural networks. Moreover, synaptic memristors are low-resistance (the structure resistance in the highest-resistance state does not exceed tens of kΩ) and require relatively high voltages to set resistive states (5 V, with a voltage pulse duration of 100 ms), which significantly increases power consumption.
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 HfO2. 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.Known multilevel memristor ("Multi-resistance-state memristor", patent No. CN 102832343 A, publ. 19.12.2012) with the possibility of implementing four intermediate resistive states in the range of three orders of magnitude, which includes the lower platinum electrode, the upper TaTiN electrode and an active region located between the electrodes made of hafnium oxide HfO 2 . A multilevel memristor combines two types of electrical resistance switching: unipolar, in which switching to a low-resistance state occurs when a voltage of the same polarity is applied as switching to a high-resistance state, and also bipolar, relative to the initial resistance level of the structure, at which switching between low-resistance and high-resistance states observed when voltage of different polarity is applied to the structure. The proposed memristor provides four resistive states, is distinguished by a complex algorithm for switching between them, and by close resistance values of intermediate levels to the highest and lowest resistance states of the structure, which greatly complicates the use of such an element as a synapse in the structure of a neural network.
Известен мемристор на основе нестехиометрического оксида гафния, сочетающий двухуровневый и многоуровневый режимы переключения электрического сопротивления ("Binary and multi-valued memristor based on HfO2-х, 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 HfO2-х, 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 ROFF/RON 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.Known memristor based on non-stoichiometric hafnium oxide, combining two-level and multi-level switching modes of electrical resistance ("Binary and multi-valued memristor based on HfO 2-x , preparation method, and application of binary and multi-valued memristor", patent No. CN 107293642 A , publ. 24.10.2017). The proposed solution is a "cross-bar" structure containing a grid of lower titanium electrodes and a grid of upper platinum electrodes perpendicular to it. Between the electrodes there is an active layer of HfO 2-x , the switching mode of electrical resistance of which is determined by the selected range 1.6 <2-x <2. At 1.6 <2-x <1.8, the memristor operates in the mode of multilevel switching of resistance, which is supposed to be caused by the formation of a conducting channel ("Filament") between the upper and lower electrodes as a result of electromigration of oxygen vacancies under the action of a voltage applied to the electrodes. A change in the duration of the voltage pulse applied to the structure (1 ns - 10 ms) leads to a change in the R OFF / R ON ratio in the range from one to three orders of magnitude. The disadvantage of this technical solution is the need to implement an additional operation of activating the structure in the form of a procedure for primary electrical "molding", leading to the formation of a conductive "filament". The "shaping" process is usually poorly controlled, but at the same time it is critical for activating the switching of electrical resistance of the memristive structure.
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.Known memristor device ("Memristor device", patent No. US 10186660 B2, publ. 01/22/2019) based on a heterostructure with an active metal oxide layer of hafnium oxide and the ability to implement 64 intermediate resistive states in the range of two orders of magnitude. The memristive device includes a lower chemically inert platinum and upper tantalum electrodes, and an active switching layer of hafnium oxide, 5 nm thick, formed by the atomic layer deposition method, enclosed between them. Under the action of an external voltage applied to the structure, tantalum is oxidized at the hafnium oxide / upper tantalum electrode interface due to electromigration of tantalum cations into the hafnium oxide layer and oxygen anions to the tantalum electrode, which leads to the formation of oxygen vacancies in the active switching layer. Tantalum plays the role of a dopant for the hafnium oxide layer, with an increase in the concentration of which a conducting channel is formed between the electrodes of the structure. Intermediate resistive states are formed due to a change in the ratio of tantalum ions and oxygen vacancies in the formed conducting channel. Since this memristive device implements states intermediate in resistance, which can be used to integrate synaptic plasticity in the construction of non-von Neumann processing devices, this memristive device can be considered as a memristive synapse. Switching between resistive states is achieved by varying the current limiting level or the number of voltage pulses applied to the structure. The disadvantage of the proposed solution is the small switching range of the resistance of the memristive device, as well as the need for a relatively large number of pulses required for analog restructuring of the resistive state of the structure (up to 26 pulses to increase the conductivity by three times and more than 10 pulses to decrease to the initial level, respectively ). This device is the closest analogue (prototype) of the proposed utility model.
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:The task of the utility model is to create a memristive synapse with a significantly expanded range of resistance tuning and, at the same time, the possibility of increasing the differentiation of resistive states with a decrease in the probability of error when reading information from an element. When solving the problem, a technical result is achieved, characterized by the given set of features:
- реализация многоуровневой перестройки сопротивления в диапазоне до 7 порядков;- implementation of multilevel resistance adjustment in the range of up to 7 orders;
- обеспечение стабильности промежуточных уровней по сопротивлению;- ensuring the stability of intermediate resistance levels;
- исключение процесса электрической формовки для активации резистивного переключения.- elimination of the electrical forming process to activate resistive switching.
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.The specified technical result is achieved due to the fact that the memristive synapse, containing between the lower, chemically inert platinum and upper electrodes, an active region made on the basis of a thin-film metal oxide heterostructure, providing multilevel, non-volatile switching of resistance and having a resistive memory, contains an active region formed by a layer of multilevel switching resistance of amorphous alumina, thickness from 4 to 6 nm, made over a layer of titanium oxide, thickness from 20 to 60 nm, formed over the lower electrode, and the upper electrode is made of platinum.
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.In this case, the titanium oxide layer serves as a reservoir of oxygen vacancies, and provides a controlled change in their density in the conductive cord formed during bipolar resistive switching in the second layer of the active region (amorphous alumina) due to their electromigration when a voltage is applied to the structure.
Технические характеристики мемристивного синапса: отношение сопротивлений в наиболее высокоомном и наиболее низкоомном резистивных состояниях, измеренных при напряжении 0.1 В, составляет 107; диапазон напряжений записи - от 2 до 5 В, диапазон перестройки сопротивления - от 1011 до 104 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.Technical characteristics of the memristive synapse: the ratio of the resistances in the highest and lowest resistance states measured at a voltage of 0.1 V is 10 7 ; recording voltage range - from 2 to 5 V, resistance adjustment range - from 10 11 to 10 4 Ohm, the number of achieved, recorded intermediate resistive levels, relative to which bipolar resistance switching is observed - up to 20. The stated technical characteristics are provided for the specified range of metal oxide layers thicknesses and using platinum as the electrode material of the structure.
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.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows the structure of the memristive synapse, FIG. 2 explains its operation, and FIG. 3 shows the operating volt-ampere characteristics for multilevel (analog) restructuring of resistance and, if necessary, to increase the differentiation of resistive states with a decrease in the probability of error when reading information from an element.
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.The memristive synapse (Fig. 1) contains an
Сборку предлагаемого мемристивного синапса осуществляют следующим образом:The assembly of the proposed memristive synapse is carried out as follows:
Для формирования нижнего электрода 5 формируется слой SiO2 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/SiO2/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.To form the
На фиг. 2 схематично поясняется работа мемристивного синапса.FIG. 2 schematically illustrates the operation of the memristive synapse.
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).1. Bipolar switching at the highest resistance level of the structure occurs when a negative potential is applied to the
2. При приложении к структуре напряжения обратной полярности происходит освобождение ловушечных уровней в области токового шнура (RESET процесс) и биполярное переключение в высокоомное состояние.2. When a voltage of reverse polarity is applied to the structure, trap levels in the region of the current cord are released (RESET process) and bipolar switching into a high-resistance state.
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.3. The appearance of multilevel is associated with a change in the properties of the alumina layer, which occurs as a result of drift and a change in the concentration of vacancies for oxygen mainly in the region of the
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.4. The drift of oxygen vacancies into the
На фиг. 3 показаны вольт-амперные характеристики мемристивного синапса, измеренные с помощью многофункционального характериографа Keithley 4200-SCS. Так, помимо аналоговой перестройки резистивного состояния Pt/Al2O3/TiO2/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.FIG. 3 shows the current-voltage characteristics of a memristive synapse measured with a Keithley 4200-SCS multifunctional tracer. So, in addition to the analog restructuring of the resistive state of the Pt / Al 2 O 3 / TiO 2 / Pt structure in the range of seven orders of magnitude (Fig. 3, a), which determines the level of electrical resistance of the system, there is a bipolar switching of the resistance from a high-resistance to a low-resistance state, the ratio resistances of which is one to two orders of magnitude (Fig. 3, b). FIG. 3b shows 7 levels of resistance of the memristive synapse with a corresponding change in the resistive state during bipolar switching.
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.Thus, the active region based on a thin-film metal oxide heterostructure in the form of a sequence of layers of titanium oxide in the anatase and amorphous alumina phases, in combination with platinum electrodes, provides an analog multilevel change in electrical resistance and resistive memory of a memristive synapse in a significantly wider range of resistance. (up to seven orders of magnitude), compared to the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132649U RU202461U1 (en) | 2020-10-01 | 2020-10-01 | Memristive synapse |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132649U RU202461U1 (en) | 2020-10-01 | 2020-10-01 | Memristive synapse |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU202461U1 true RU202461U1 (en) | 2021-02-18 |
Family
ID=74665882
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020132649U RU202461U1 (en) | 2020-10-01 | 2020-10-01 | Memristive synapse |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU202461U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2787740C1 (en) * | 2021-12-23 | 2023-01-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for reversible volatile switching of the resistive state of a solid-state apparatus based on a metal-dielectric-metal structure |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472254C1 (en) * | 2011-11-14 | 2013-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Memristor based on mixed oxide of metals |
| WO2013178730A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel | Eeprom memory cell as a memristive component |
| RU159146U1 (en) * | 2015-08-18 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | MEMORISTOR SWITCH |
| RU2666165C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide |
| DE102018002714A1 (en) * | 2017-04-18 | 2018-10-18 | Gabriele Trinkel | Memristor effect system network and process with functional material |
| US10186660B2 (en) * | 2017-03-28 | 2019-01-22 | University Of Massachusetts | Memristor device |
-
2020
- 2020-10-01 RU RU2020132649U patent/RU202461U1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472254C1 (en) * | 2011-11-14 | 2013-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Memristor based on mixed oxide of metals |
| WO2013178730A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel | Eeprom memory cell as a memristive component |
| RU159146U1 (en) * | 2015-08-18 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | MEMORISTOR SWITCH |
| US10186660B2 (en) * | 2017-03-28 | 2019-01-22 | University Of Massachusetts | Memristor device |
| DE102018002714A1 (en) * | 2017-04-18 | 2018-10-18 | Gabriele Trinkel | Memristor effect system network and process with functional material |
| RU2666165C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2787740C1 (en) * | 2021-12-23 | 2023-01-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for reversible volatile switching of the resistive state of a solid-state apparatus based on a metal-dielectric-metal structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ismail et al. | Forming-free Pt/Al2O3/HfO2/HfAlOx/TiN memristor with controllable multilevel resistive switching and neuromorphic characteristics for artificial synapse | |
| Jo | Nanoscale memristive devices for memory and logic applications | |
| KR20120046327A (en) | Memristors based on mixed-metal-valence compounds | |
| US9853212B2 (en) | Resistive switching in memory cells | |
| Jung et al. | Enhanced switching properties in TaO x memristors using diffusion limiting layer for synaptic learning | |
| KR20180057384A (en) | Synapse device for application on neuromorphic system, method of fabricating the same, and synapse circuit component including the same | |
| KR101811108B1 (en) | Using Insulator-metal transition electronic neuron High density neuromorphic system and High density neuromorphic system curcuit | |
| Chuang et al. | Impact of the stacking order of HfO x and AlO x dielectric films on RRAM switching mechanisms to behave digital resistive switching and synaptic characteristics | |
| JP2015502031A (en) | Memristors based on mixed metal oxides | |
| Ismail et al. | Electronic synaptic plasticity and analog switching characteristics in Pt/TiOx/AlOx/AlTaON/TaN multilayer RRAM for artificial synapses | |
| Mohanty et al. | Uniform resistive switching and highly stable synaptic characteristics of HfOx sandwiched TaOx-based memristor for neuromorphic system | |
| So et al. | Short-term memory characteristics in n-type-ZnO/p-type-NiO heterojunction synaptic devices for reservoir computing | |
| RU202461U1 (en) | Memristive synapse | |
| KR101674872B1 (en) | Resistive switching schmitt triggers and comparators | |
| RU2706207C1 (en) | Method for production of memristor with nanoconcenters of electric field | |
| RU2666165C1 (en) | Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide | |
| Yakopcic et al. | TiO 2 memristor devices | |
| CN112018236A (en) | PZT-based memristor device, and preparation method and application thereof | |
| Kunitsyn et al. | Bipolar resistive switching in Al 2 O 3/TiO 2 structure at low temperature | |
| Ji et al. | Improved resistive and synaptic switching performances in bilayer ZrOx/HfOx devices | |
| Simanjuntak et al. | Practical approach to induce analog switching behavior in memristive devices: Digital-to-analog transformation | |
| WO2016153516A1 (en) | Resistance memory devices including cation metal doped volatile selectors and cation metal electrodes | |
| Alekseeva et al. | Bipolar resistive switching in PbO nanoscale thin films | |
| CN112909168B (en) | Multifunctional storage device based on lithium doped niobium oxide and preparation method thereof | |
| Makarov et al. | Stochastic modeling hysteresis and resistive switching in bipolar oxide-based memory |