RU2666165C1 - Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide - Google Patents

Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide Download PDF

Info

Publication number
RU2666165C1
RU2666165C1 RU2017138263A RU2017138263A RU2666165C1 RU 2666165 C1 RU2666165 C1 RU 2666165C1 RU 2017138263 A RU2017138263 A RU 2017138263A RU 2017138263 A RU2017138263 A RU 2017138263A RU 2666165 C1 RU2666165 C1 RU 2666165C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
nanocomposite
layer
oxide
stoichiometric
Prior art date
Application number
RU2017138263A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Александрович Демин
Андрей Вячеславович Емельянов
Юрий Егорович Калинин
Павел Константинович Кашкаров
Михаил Николаевич Копытин
Александр Викторович Ситников
Владимир Васильевич Рыльков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2017138263A priority Critical patent/RU2666165C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2666165C1 publication Critical patent/RU2666165C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of micro- and nanoelectronics, namely the manufacturing technology of a synaptic memristor based on the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite, which has adaptive (neuromorphic) properties. Method for the formation of a synaptic memristor based on a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite is proposed, consisting in successive deposition of layers on a substrate. At the same time, the Cr/Cu/Cr layer, which is the lower electrode, the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite layer and the Cr/Cu/Cr layer, which is the upper electrode, are sequentially deposited on the glass-ceramic substrates by ion-beam sputtering method. In the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite, the ferroelectric material LiNbOis used as oxide, and the amorphous alloy CoFeB– as the metal. Deposition of the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite is carried out with a lack of oxygen 2.5–3.5 mcm in thickness and with a metal content of 2–4 at.% below the percolation threshold x≈ 15 at.% on substrates having a room temperature.EFFECT: creation of memristive structures Cr/Cu/Cr/(CoFeB)(LiNbO)/Cr/Cu/Cr using non-stoichiometric oxides capable of simulating the properties of biological synapses and simultaneously possessing increased resistance to cyclic resistive switching.5 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, который обладает адаптивными (нейроморфными) свойствами.The invention relates to the field of micro- and nanoelectronics, and in particular to a manufacturing technology for a synaptic memristor based on a metal-non-stoichiometric metal nanocomposite, which has adaptive (neuromorphic) properties.

Уровень техникиState of the art

Возможность получения мемристоров с высокими показателями устойчивости к деградации при циклических переключениях и наличием более чем двух стабильных резистивных состояний является важной задачей для создания многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) и элементов, моделирующих действие синапса, при построении био-подобных процессорных устройств.The possibility of obtaining memristors with high degradation resistance during cyclic switching and the presence of more than two stable resistive states is an important task for the creation of multilevel (analog) elements of non-volatile resistive memory with random access (RRAM) and elements simulating the action of the synapse when constructing bio- similar processor devices.

Попытки создать такие устройства только на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник через уменьшение размеров элементов и использование параллелизма в процессах обработки информации не дают желаемого результата. В частности, из-за сложности реализации синаптической пластичности (изменяемой эффективности передачи сигнала между нейронами) и достаточно высоком при этом энергопотреблении.Attempts to create such devices only on the basis of complementary metal-oxide-semiconductor structures by reducing the size of elements and using parallelism in information processing do not give the desired result. In particular, due to the complexity of the implementation of synaptic plasticity (variable efficiency of signal transmission between neurons) and the high enough power consumption.

Для моделирования синапса необходимы объекты, обладающие мемристивными (запоминающими) свойствами, которые заключаются в изменении электрического сопротивления структуры (ее резистивном переключении) под действием электрического поля и протекшего заряда и хранении возникающего резистивного состояния после снятия внешнего полевого воздействия.To simulate the synapse, objects with memristive (memory) properties are required, which consist in changing the electrical resistance of the structure (its resistive switching) under the influence of the electric field and the leaking charge and storing the emerging resistive state after removing the external field effect.

Известны мемристивные металл-оксид-металл структуры анионного типа, на основе оксидов (ТiO2 или LiNbO3), с высокими значениями диэлектрической проницаемости, которые могут быть использованы для моделирования синапсов при создании нейроморфных вычислительных систем. Недостатком их практического применения является низкая устойчивость к деградации при резистивном переключении Nmax<5⋅103. Причиной деградации мемристивных свойств структур металл-оксид-металл является случайный («филаментный») характер перехода в проводящее состояние, изменяющийся со временем.Memristive metal-oxide-metal structures of an anion type, based on oxides (TiO 2 or LiNbO 3 ), with high values of dielectric constant, which can be used to simulate synapses when creating neuromorphic computing systems, are known. The disadvantage of their practical application is the low resistance to degradation with resistive switching N max <5⋅10 3 . The reason for the degradation of the memristive properties of metal-oxide-metal structures is the random (“filament”) nature of the transition to a conducting state that changes over time.

Основными механизмами резистивного переключения вышеназванной структуры являются образование проводящих нитевидных каналов (conductive filament) при электромиграции кислородных вакансий в оксидной прослойке, а также изменение величины барьера Шоттки на границе металл-оксид (Ielmini D. Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling // Semicond. Sci. Technol. - 2016. - V. 31. - P. 063002). В данном типе структур (в частности, в синаптических мемристорах Pt/Al2O3/TiO2-x/Ti/Pt (Prezioso М., Merrikh-Bayat F., Hoskins B.D., Adam G.C., Likharev К. K., and Strukov D.B. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors // Nature. - 2015. - V. 521. - P. 61.) возможно плавное изменение сопротивления, причем по правилам, используемым в биологических нейронных сетях, в частности, по так называемому правилу «STDP» (spike-timing-dependent-plasticity -пластичность, зависящая от времени прихода импульса) (М. Prezioso, F. Merrikh Bayat, В. Hoskins, К. Likharev, and D. Strukov. Self-Adaptive Spike-Time- Dependent Plasticity of Metal- Oxide Memristors. Sci. Rep.V.6, 21331; doi: 10.1038/srep21331 (2016)). Мемристивные структуры Pt/Al2O3/TiO2-x/Ti/Pt созданы с использованием метода атомно-слоевого осаждения (ALD) при относительно низких температурах роста (<300°С). Структуры имеют нанометровые толщины оксидных слоев (d=4 нм для Аl2O3 и d=30 нм для ТiO2-х) и обладают достаточно высоким отношением сопротивлений Roƒƒ/Ron>102. Важно, что низкие температуры роста Pt/Al2O3/TiO2-x/Ti/Pt структур позволили создать на их основе кросс-бары (12×12), интегрированные с Si КМОП устройством для записи/стирания и считывания информации с кросс-бар элементов.The main mechanisms of resistive switching of the above structure are the formation of conductive filament during electromigration of oxygen vacancies in the oxide layer, as well as the change in the Schottky barrier at the metal-oxide interface (Ielmini D. Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling // Semicond. Sci. Technol. - 2016 .-- V. 31. - P. 063002). In this type of structure (in particular, in Pt / Al 2 O 3 / TiO 2-x / Ti / Pt synaptic memristors (Prezioso M., Merrikh-Bayat F., Hoskins BD, Adam GC, Likharev K. K., and Strukov DB Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors // Nature. - 2015. - V. 521. - P. 61.) a smooth change in resistance is possible, and according to the rules used in biological neural networks, in particular, according to the so-called “STDP” rule (spike-timing-dependent-plasticity-plasticity, depending on the time of arrival of the impulse) (M. Prezioso, F. Merrikh Bayat, B. Hoskins, K. Likharev, and D. Strukov. Self -Adaptive Spike-Time- Dependent Plasticity of Metal- Oxide Memristors. Sci. Rep.V.6, 21331; doi: 10.1038 / srep21331 (2016)) .Memrist The typical Pt / Al 2 O 3 / TiO 2-x / Ti / Pt structures were created using atomic layer deposition (ALD) at relatively low growth temperatures (<300 ° C). The structures have nanometer-thick oxide layers (d = 4 nm for Al 2 O 3 and d = 30 nm for TiO 2-x ) and have a fairly high resistance ratio R oƒƒ / R on > 10 2 . It is important that the low growth temperatures of Pt / Al 2 O 3 / TiO 2 - x / Ti / Pt structures made it possible to create cross-bars (12 × 12) based on them, integrated with a Si CMOS device for recording / erasing and reading information from a cross -bar of elements.

Основным недостатком Pt/Al2O3/TiO2-x/Ti/Pt структур является их низкая устойчивость к деградации (endurance) при циклических переключениях. Максимальное число циклов переключения Nmax из высокоомного состояния в низкоомное и обратно составляет около 5⋅103 раз. Кроме того, данные структуры требуют использования достаточно дорогостоящего ALD метода для их синтеза.The main disadvantage of Pt / Al 2 O 3 / TiO 2-x / Ti / Pt structures is their low resistance to endurance during cyclic switching. The maximum number of switching cycles N max from the high-resistance state to the low-resistance state and vice versa is about 5⋅10 3 times. In addition, these structures require the use of a rather expensive ALD method for their synthesis.

Известны мемристивные Au/BiFeO3/Pt/Ti структуры (d=600 нм для BiFeO3), созданные относительно недорогим методом импульсного лазерного осаждения (PLD), которые используют эффект модуляции высоты барьера Шоттки на границе BiFeO3/Pt при электромиграции ионов (You Т., Du N., Slesazeck S., Mikolajick Т., Li G., Burger D., Skorupa I., Stocker H., Abendroth В., Beyer A., Volz K., Schmidt O.G., and Schmidt H. Bipolar Electric-Field Enhanced Trapping and Detrapping of Mobile Donors in BiFe03 Memristors // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2014. - V. 6. - P. 19758-19765). Эти структуры также обладают отношением сопротивлений Roƒƒ/Ron ~ 102, однако все еще недостаточно высоким значением циклов переключения Nmax ≈ 3⋅104. Кроме того, отсутствуют сведения о пластичности структур, т.е. возможности задания произвольного резистивного состояния структур в диапазоне между Ron и Roƒƒ, а также их использования для моделирования синапсов.Memristive Au / BiFeO 3 / Pt / Ti structures (d = 600 nm for BiFeO 3 ) are known, created by the relatively inexpensive pulsed laser deposition (PLD) method, which use the effect of modulating the height of the Schottky barrier at the BiFeO 3 / Pt interface during ion electromigration (You T., Du N., Slesazeck S., Mikolajick T., Li G., Burger D., Skorupa I., Stocker H., Abendroth B., Beyer A., Volz K., Schmidt OG, and Schmidt H. Bipolar Electric-Field Enhanced Trapping and Detrapping of Mobile Donors in BiFe03 Memristors // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2014 .-- V. 6. - P. 19758-19765). These structures also have a resistance ratio R oƒƒ / R on ~ 10 2 , however, the switching cycles N max ≈ 3⋅10 4 are still not high enough. In addition, there is no information on the plasticity of structures, i.e. the ability to specify an arbitrary resistive state of structures in the range between R on and R oƒƒ , as well as their use for modeling synapses.

Довольно большие значения циклов переключения Nmax ≈ 1,7⋅105 достигнуты для многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом на основе слоев НfO2, выращенных ALD метом (Balatti S, Ambrogio S, Wang Z-Q, Sills S, Calderoni A, Ramaswamy N and Ielmini D Voltage-controlled cycling endurance of HfOx-based resistive-switching memory (RRAM) // IEEE Trans. Electron Devices -2015. - V.62. - P. 3365). В структурах на основе НfO2 удается получить набор промежуточных резистивных состояний (Brivio S., Covi Е., Serb А., Prodromakis Т., Fanciulli М., Spiga S. Experimental study of gradual/abrupt dynamics of Hf02-based memristive devices // Appl. Phys. Lett. -2016. -V.109. -P. 133504), однако, в этом случае отношение электрических сопротивлений в наиболее высокоомном и низкоомном состояниях невелико Roƒƒ/Ron ≈ 6.Quite large values of switching cycles N max ≈ 1.7⋅10 5 were achieved for multilevel (analog) elements of non-volatile resistive memory with random access based on HfO 2 layers grown by ALD (Balatti S, Ambrogio S, Wang ZQ, Sills S, Calderoni A, Ramaswamy N and Ielmini D Voltage-controlled cycling endurance of HfOx-based resistive-switching memory (RRAM) // IEEE Trans. Electron Devices-2015. - V.62. - P. 3365). In structures based on HfO 2, it is possible to obtain a set of intermediate resistive states (Brivio S., Covi E., Serb A., Prodromakis T., Fanciulli M., Spiga S. Experimental study of gradual / abrupt dynamics of Hf02-based memristive devices / / Appl. Phys. Lett. -2016. -V.109. -P. 133504), however, in this case, the ratio of electrical resistances in the most high-resistance and low-resistance states is small R oƒƒ / R on ≈ 6.

Недавно продемонстрирована возможность использования мемристивных структур Ti/Pt/LiNbO3-y/LiNbO3/Ti/Pt, полученных методом импульсного лазерного осаждения (PLD), в качестве синапсов в нейроморфных вычислительных системах (С.Yakopcic, S. Wang, W. Wang, E. Shin, J. Boeckl, G. Subramanyam, T.M. Taha. Filament formation in lithium niobate memristors supports neuromorphic programming capability // Neural Comput. & Applic. - 2017. DOI: 10.1007/s00521-017-2958-z). Данные структуры обладают довольно большим отношением сопротивлений Roƒƒ/Ron ≈ 30, однако имеют низкую устойчивость к резистивному переключению.Recently, the possibility of using memristive structures Ti / Pt / LiNbO 3-y / LiNbO 3 / Ti / Pt obtained by pulsed laser deposition (PLD) as synapses in neuromorphic computing systems (C. Yakopcic, S. Wang, W. Wang , E. Shin, J. Boeckl, G. Subramanyam, TM Taha. Filament formation in lithium niobate memristors supports neuromorphic programming capability // Neural Comput. & Applic. - 2017. DOI: 10.1007 / s00521-017-2958-z). These structures have a rather large resistance ratio R oƒƒ / R on ≈ 30, however, they have low resistance to resistive switching.

Известен «Способ формирования мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me и структура мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me» (Патент RU 2540237), который отличается отсутствием «формовки» при первоначальном переключении структуры в состояния с малым сопротивлением. Мемристор на основе металл-изолятор-металл структуры состоит из слоя изолятора из твердотельного сплава Si:Me, который формируют с заранее заданным профилем концентрации металла Me по толщине (по направлению от нижнего электрода к верхнему электроду в пределах 1-25%). Мемристор может иметь до 5 различных сопротивлений.The well-known "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 RU 2540237), which is characterized by the absence of "molding" when the structure is initially switched to a state with low resistance. A metal-insulator-metal structure memristor consists of an insulator layer of a solid state alloy Si: Me, which is formed with a predetermined metal concentration profile Me in thickness (in the direction from the lower electrode to the upper electrode within 1-25%). A memristor can have up to 5 different resistances.

Недостатком данного способа является то, что получаемый мемристор не обладает устойчивостью к деградации при циклических переключениях, что делает его непригодным для построения био-подобных процессорных устройств.The disadvantage of this method is that the resulting memristor is not resistant to degradation during cyclic switching, which makes it unsuitable for building bio-like processor devices.

Известно изобретение «Нанометаллический резистентный переключатель элементов» (Патент US 2012001146), в котором описано устройство энергонезависимой памяти, содержащее нижний электрод, сформированный из металла, и элемент с резистивным переключением, нанесенный поверх данного электрода. Элемент с резистивным переключением представляет собой оксид вольфрама WO3-x. Устройство включает в себя верхний электрод из благородного металла. Сопротивление данного устройства может изменяться при подаче возрастающего напряжения и, таким образом, возможно сохранение информации.The invention is known as the “Nanometallic Resistive Element Switch” (Patent US 2012001146), which describes a non-volatile memory device comprising a lower electrode formed of metal and a resistive switching element deposited on top of this electrode. The resistive switching element is tungsten oxide WO 3-x . The device includes a top electrode made of precious metal. The resistance of this device can change when an increasing voltage is applied and, thus, information can be saved.

Недостатком данного изобретения является то, что оно не демонстрирует устойчивости к деградации при циклических переключениях, что непригодно для построения био-подобных процессорных устройств.The disadvantage of this invention is that it does not demonstrate resistance to degradation during cyclic switching, which is unsuitable for building bio-like processor devices.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является мемристор, сформированный на основе смешанного оксида металлов (Патент RU 2524415). Данное устройство состоит из активного слоя, расположенного между двумя токопроводящими слоями, находящегося с ними в электрическом контакте. Активный слой обладает свойством резистивного переключения и представляет собой двухслойную оксидную структуру НfА1хОу/НfO2. Слой HfAlxOy имеет высокую растворимость и высокую равновесную концентрацию кислородных вакансий, а НfO2 является слоем с низкой растворимостью вакансий.The closest in technical essence to the claimed invention is a memristor formed on the basis of mixed metal oxide (Patent RU 2524415). This device consists of an active layer located between two conductive layers, in electrical contact with them. The active layer has the property of resistive switching and is a two-layer oxide structure of HfA1 x O y / HfO 2 . The HfAl x O y layer has a high solubility and a high equilibrium concentration of oxygen vacancies, and HfO 2 is a layer with a low solubility of vacancies.

Токопроводящие слои выполнены из нитрида титана или нитрида вольфрама. На границе раздела HfO2/TiN наносится сверхтонкий слой оксида рутения толщиной не менее 0,5 нм. При нанесении слоев использовались: метод импульсного лазерного осаждения и метод магнетронного распыления. Получаемый при реализации данного способа мемристор демонстрирует стабильность режимов переключения сопротивления в низко- и высокоомное состояния (не менее 100 раз).The conductive layers are made of titanium nitride or tungsten nitride. An ultrathin ruthenium oxide layer with a thickness of at least 0.5 nm is deposited at the HfO 2 / TiN interface. When applying the layers were used: the method of pulsed laser deposition and the method of magnetron sputtering. Obtained during the implementation of this method, the memristor demonstrates the stability of the modes of switching resistance to low and high resistance state (at least 100 times).

Основным существенным недостатком полученного мемристора является то, что он демонстрирует только два различных резистивных состояния (низко- и высокомное), что пригодно только для построения цифровых схем. В то время как для построения био-подобных процессорных устройств и аналоговых элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом критически важной является возможность реализации синаптической пластичности мемристоров, т.е. наличие у них более двух стабильных резистивных состояния.The main significant drawback of the obtained memristor is that it demonstrates only two different resistive states (low and high), which is suitable only for constructing digital circuits. While the construction of bio-like processor devices and analog elements of non-volatile resistive memory with random access is critical, the possibility of realizing the synaptic plasticity of memristors, i.e. the presence of more than two stable resistive states.

Поэтому, возможность получения мемристоров с высокими показателями устойчивости к деградации при циклических переключениях (Nmax>105) и наличием более чем двух стабильных резистивных состояний является важной задачей.Therefore, the possibility of obtaining memristors with high degradation resistance during cyclic switching (N max > 10 5 ) and the presence of more than two stable resistive states is an important task.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Техническим результатом предложенного изобретения является создание мемристивных структур Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr, способных моделировать свойства биологических синапсов и одновременно обладающих повышенной устойчивостью к циклическим резистивным переключениям.The technical result of the proposed invention is the creation of memristive structures Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr, capable of simulating the properties of biological synapses and at the same time possessing increased resistance to cyclic resistive switching.

Для достижения технического результата предложен способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл- нестехиометрический оксид, заключающийся в последовательном осаждении слоев на подложку, при этом, методом ионно-лучевого распыления последовательно осаждают на ситалловые подложки слой Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом, слой нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид и слой Cr/Cu/Cr, являющийся верхним электродом.To achieve a technical result, a method for the formation of a synaptic memristor based on a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite is proposed, which consists in sequentially depositing layers on a substrate, in this case, a layer of Cr / Cu / Cr, which is the lower electrode, is sequentially deposited onto the metal substrates by ion beam spraying a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite and a Cr / Cu / Cr layer, which is the upper electrode.

Кроме того, в нанокомпозите металл-нестехиометрический оксид в качестве оксида используют сегнетоэлектрик LiNbO3, а в качестве металла -аморфный сплав Co40Fe40B20.In addition, the nanocomposite-stoichiometric metal oxide is used as LiNbO 3 ferroelectric oxide and metal as -amorfny alloy Fe 40 Co 40 B 20.

Также, осаждение нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции хр=15 ат.% проводят с недостатком кислорода.Also, the deposition of the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite with a thickness of 2.5-3.5 μm and with a metal content of 2-4 at.% Below the percolation threshold xp = 15 at.% Is carried out with a lack of oxygen.

У поверхности нижнего электрода формируют высокоомную прослойку толщиной 0,05-0,1 мкм путем добавления на начальном этапе осаждения слоя нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением РO2=(1-3) 10-5 Торр в течение 5-10 мин., после чего проводят осаждение слоев с недостатком кислорода.A high-resistance interlayer with a thickness of 0.05-0.1 μm is formed near the surface of the lower electrode by adding at the initial stage of deposition of the nanocomposite layer of excess oxygen with a partial pressure of P O2 = (1-3) 10-5 Torr for 5-10 minutes, after what is the deposition of layers with a lack of oxygen.

Также, осаждают слои на подложки, имеющие комнатную температуру.Also, layers are deposited on substrates having room temperature.

Установлено, что в случае замены активного оксидного слоя в структуре металл/оксид/металл на нанокомпозит типа металл-нестехиометрический оксид, переход в проводящее состояние при х<хр определяется перколяционными цепочками, заданными пространственным положением и концентрацией наногранул металла, что обеспечивает высокую стабильность резистивных переключений.It is established that in the case of replacing the active oxide layer in the metal / oxide / metal structure with a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite, the transition to the conducting state at x <x p is determined by percolation chains specified by the spatial position and concentration of the metal nanogranules, which ensures high stability of resistive switchings.

Метод ионно-лучевого распыления составных мишеней нанокомпозита относительно недорогой, хорошо апробирован, и позволяет получать нанокомпозиты контролируемого состава, в том числе с изменяющимися распределением металлической и диэлектрической компоненты (С.А. Гриднев, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней, Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний (2012), 352 с).The method of ion-beam sputtering of composite targets of a nanocomposite is relatively inexpensive, well tested, and allows one to obtain nanocomposites of controlled composition, including those with a varying distribution of the metal and dielectric components (S.A. Gridnev, Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov, OV Stogney, Nonlinear Phenomena in Nano- and Microheterogeneous Systems, Moscow: BINOM, Laboratory of Knowledge (2012), 352 p.

Для создания нестехиометрической оксидной матрицы с высоким содержанием вакансий кислорода в качестве металла используется аморфный сплав Co40Fe40B20. Атомы бора имеют малый размер и высокую диффузионную подвижность. При этом невысокое значение энтальпии образования простейшего оксида ВО равно Ее ≈ +0,04 эВ/молекулу (для сравнения в случае TiO и NbO Ее ≈ +0,5 и+1,9 эВ/молекулу), соответственно позволяют атомам бора связывать кислород, что способствует формированию нестехиометрической оксидной матрицы со значительным избытком кислородных вакансий.To create a non-stoichiometric oxide matrix with a high content of oxygen vacancies, an amorphous Co 40 Fe 40 B 20 alloy is used as a metal. Boron atoms have a small size and high diffusion mobility. In this case, the low enthalpy of formation of the simplest BO oxide is E e ≈ +0.04 eV / molecule (for comparison, in the case of TiO and NbO E е ≈ +0.5 and + 1.9 eV / molecule), respectively, allow boron atoms to bind oxygen, which contributes to the formation of a non-stoichiometric oxide matrix with a significant excess of oxygen vacancies.

Для задания определенной полярности переключающего напряжения из высокоомного Roƒƒ в низкоомное Ron состояние, увеличения отношения электрических сопротивлений Roƒƒ/Ron, а также времени хранения резистивных состояний у нижнего электрода создается высокоомная прослойка путем добавления на начальном процессе роста нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением РO2 ≈ (1-3)-10-5 Торр в течение ≈ 5-10 мин.To set a certain polarity of the switching voltage from the high-resistance R oƒƒ to the low-resistance R on state, to increase the electrical resistance ratio R oƒƒ / R on , as well as the storage time of the resistive states at the lower electrode, a high-resistance layer is created by adding excess oxygen with partial pressure at the initial nanocomposite growth process P O2 ≈ (1-3) -10 -5 Torr for ≈ 5-10 minutes.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется следующими рисунками:The invention is illustrated by the following figures:

На фиг. 1 схематично показан реализуемый способ создания структур Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3.y)100-x/Cr/Cu/Cr,где:In FIG. 1 schematically shows an implemented method for creating the structures Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3. Y ) 100-x / Cr / Cu / Cr, where:

1- зонды;1- probes;

2- гранулированный нанокомпозит (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x;2- granular nanocomposite (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x ;

3- верхний электрод Cr/Cu/Cr;3- upper electrode Cr / Cu / Cr;

4- нижний электрод Cr/Cu/Cr;4- lower electrode Cr / Cu / Cr;

5- ситалловая подложка.5-ceramic substrate.

На фиг. 2 показана вольт-амперная характеристика мемристорных структур Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x с содержанием аморфного сплава х ≈ 13 и 16 ат.%, полученных при добавлении на начальном этапе роста нанокомпозита кислорода (РO2 ≈ 2⋅10-5 Торр). Толщина слоя НК d ≈ 3 мкм.In FIG. Figure 2 shows the current – voltage characteristic of memristor structures Cr / Cu / Cr / nanocomposite / Cr / Cu / Cr based on the nanocomposite (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x with the content of amorphous alloy x ≈ 13 and 16 at.% Obtained by adding oxygen nanocomposite at the initial stage of growth (P O2 ≈ 2⋅10 -5 Torr). NK layer thickness d ≈ 3 μm.

На фиг. 3 показаны временные зависимости сопротивления мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x (х ≈ 13 ат.%) в различных резистивных состояниях, полученных путем подачи импульсов различной полярности и амплитуды, где:In FIG. Figure 3 shows the time dependences of the resistance of the memristive structure Cr / Cu / Cr / nanocomposite / Cr / Cu / Cr based on the nanocomposite (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x (х ≈ 13 at.%) In various resistive states obtained by applying pulses of different polarity and amplitude, where:

1 - запись импульсом +5 В длительностью 10 с, затем чтение при 0,1 В с частотой ƒ =1/20 с-1;1 - recording with a +5 V pulse for 10 s, then reading at 0.1 V with a frequency of ƒ = 1/20 s -1 ;

2 - стирание импульсом -5 В длительностью 10 с, далее чтение при 0,1 В с ƒ =1/20 с-1;2 - erasing by a -5 V pulse with a duration of 10 s, then reading at 0.1 V s ƒ = 1/20 s -1 ;

3 - стирание импульсом -7 В длительностью 10 с, далее запись 10 импульсами напряжения +3 В длительностью 0,2 с, затем чтение при 0,1 В с ƒ=1/20 с-1.3 - erasing by a -7 V pulse for 10 s, then recording with 10 voltage pulses of +3 V for 0.2 s, then reading at 0.1 V with ƒ = 1/20 s -1 .

На фиг. 4 показана форма импульса напряжения (спайка) на пре- и постсинаптических нейронах.In FIG. Figure 4 shows the shape of a voltage pulse (spike) on pre- and postsynaptic neurons.

На фиг. 5 показана зависимость относительного изменения проводимости ΔG мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co40Fe40B20)x(LiNb3-y)100-x (х ≈ 13 ат.%) при разных значениях проводимости (Gi=1, 2 и 5 (кОм)-1) по правилу «STDP» от времени задержки Δt между спайками для различных начальных состояний мемристора.In FIG. Figure 5 shows the dependence of the relative change in the conductivity ΔG of the CR / Сu / Сr / nanocomposite / Cr / Cu / Cr memristive structure based on the nanocomposite (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNb 3-y ) 100-x (х ≈ 13 at.% ) at different conductivity values (G i = 1, 2, and 5 (kOhm) -1 ) according to the STDP rule of the delay time Δt between the spikes for different initial states of the memristor.

На фиг. 6 показана зависимость электрического сопротивления мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x (х ≈ 13 ат.%) от числа циклов записи/стирания. Процедура измерений: запись +5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс), стирание -5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс).In FIG. Figure 6 shows the dependence of the electrical resistance of the memristive structure of Cr / Cu / Cr / nanocomposite / Cr / Cu / Cr based on the nanocomposite (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x (x ≈ 13 at.%) On number of write / erase cycles. Measurement procedure: write +5 V (100 ms), read 0.1 V (100 ms), erase -5 V (100 ms), read 0.1 V (100 ms).

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Структуры Cr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr (фиг. 1) получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени, представлявшей собой металлическое основание из сплава Co41Fe39B20 размером 280×80×15 мм3 с закрепленной на ее поверхности 14 пластинами оксида LiNbO3 шириной 10 мм, которые располагались на основании неравномерно.Structures Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr (Fig. 1) were obtained by ion beam sputtering of a composite target, which was a metal base from Co 41 Fe 39 B 20 alloy with a size of 280 × 80 × 15 mm 3 with 14 LiNbO 3 oxide plates 10 mm wide fixed on its surface, which were located unevenly on the base.

Последовательность осаждения слоев была следующей:The sequence of deposition of the layers was as follows:

Слой 1 Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом 4 толщиной d ≈ 1 мкм наносился на ситалловые подложки 5, имеющие комнатную температуру размером 60×48×0,6 мм3.The 1 Cr / Cu / Cr layer, which is the lower electrode 4 with a thickness of d ≈ 1 μm, was deposited on the ceramic plates 5 having a room temperature of 60 × 48 × 0.6 mm 3 .

Слой 2 (нанокомпозит 2 (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x наносился на слой 1 в атмосфере аргона (РAr ≈ 8-10-4 Торр) через металлическую маску, с периодически расположенными отверстиями диаметром ≈ 5 мм. Слой 2 нанокомпозита 2 осаждался с недостатком кислорода толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции хр ≈ 15 ат.%.Layer 2 (nanocomposite 2 (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x was applied to layer 1 in an argon atmosphere (P Ar ≈ 8-10 -4 Torr) through a metal mask with periodically arranged holes with a diameter ≈ 5 mm, Layer 2 of nanocomposite 2 was deposited with a lack of oxygen 2.5-3.5 μm thick and with a metal content of 2-4 at.% Below the percolation threshold x p ≈ 15 at.%.

Осаждение нанокомпозита 2 (Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x осуществлялось одновременно на четыре ситалловые подложки 5 (с ранее нанесенным слоем 1), которые располагались соосно относительно мишени на расстоянии от нее 200 мм в виде полоски. Неравномерное расположение на поверхности пластины Co41Fe39B20 навесок из LiNbO3 позволило в едином цикле формировать нанокомпозиты с различным соотношением металлической фазы по длине ситалловой подложки 5 в диапазоне х=5 - 48 ат.%. Элементный состав нанокомпозита определялся с помощью энергодисперсионной рентгеновской приставки Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV. Точность определения состава образцов определялась их размером и дискретностью расположения на ситалловых подложках 5 и составляла δх ≈ ±1 ат.%.The deposition of nanocomposite 2 (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x was carried out simultaneously on four sitallic substrates 5 (with a previously deposited layer 1), which were aligned with the target at a distance of 200 mm from it in the form of a strip . The uneven arrangement on the surface of the Co 41 Fe 39 B 20 wafer from LiNbO 3 made it possible to form nanocomposites with a different ratio of the metal phase along the length of the metal substrate 5 in a single cycle in the range x = 5 - 48 at.%. The elemental composition of the nanocomposite was determined using an Oxford INCA Energy 250 energy dispersive X-ray attachment using a JEOL JSM-6380 LV scanning electron microscope. The accuracy of determining the composition of the samples was determined by their size and discreteness of location on the ceramic 5 substrates and was δх ≈ ± 1 at.%.

Слой 2 нанокомпозита 2 (Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x на начальном этапе роста может наноситься с добавлением кислорода с парциальным давлением РO2 ≈ (1-3)⋅10-5 Торр в течение ≈5-10 мин. Скорость осаждения нанокомпозита 2 составляла около 0,25 нм/с, а толщина - d ≈ 3 мкм. При этом, у нижнего электрода 4 создается высокоомная прослойка толщиной d ≈ 0,05-0,1 мкм.Layer 2 of nanocomposite 2 (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x at the initial stage of growth can be deposited with oxygen with a partial pressure P O2 ≈ (1-3) ⋅10 -5 Torr for ≈ 5-10 minutes The deposition rate of nanocomposite 2 was about 0.25 nm / s, and the thickness was d ≈ 3 μm. In this case, a high-resistance layer with a thickness of d ≈ 0.05-0.1 μm is created at the lower electrode 4.

Слой 3 Cr/Cu/Cr, служащий верхним электродом 3 толщиной d ≈ 1 мкм наносился на слой 2 через металлическую маску с размером отверстий 0,5×0,2 мм2.Layer 3 Cr / Cu / Cr, serving as the upper electrode 3 with a thickness of d ≈ 1 μm, was applied to layer 2 through a metal mask with a hole size of 0.5 × 0.2 mm 2 .

Исследования мемристивных свойств структурStudies of memristic properties of structures

Cr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr были выполнены при комнатной температуре с помощью многофункционального источника-измерителя NI PXI-4130 (National Instruments) и аналитической зондовой станции РМ5 (Cascade Microtech), снабженной специализированной системой PSM-100 (Motic) с оптическим микроскопом, позволяющей осуществлять микрометрическое перемещение зондов 1.Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr were performed at room temperature using a multifunctional source meter NI PXI-4130 (National Instruments) and PM5 analytical probe station (Cascade Microtech) equipped with a specialized PSM-100 system (Motic) with an optical microscope, which allows micrometric movement of probes 1.

Вольт-амперные характеристики Сr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x/Сr/Сu/Сr структуры измеряли при заземленном нижнем электроде 4 и развертке напряжения смещения U верхнего электрода по линейному закону в последовательности от 0 → +5 →-5 → 0 В с шагом 0,1 В. Период пилообразной развертки напряжения Т=12 с.The current – voltage characteristics of Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structures were measured with a grounded lower electrode 4 and a linear voltage sweep U of the upper electrode law in the sequence from 0 → +5 → -5 → 0 V in 0.1 V increments. The period of the sawtooth voltage sweep is T = 12 s.

Эксперименты по изучению возможности подбора произвольного резистивного состояния (plasticity) структуры Cr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-у)100-x/Сr/Сu/Сr и его хранения во времени (retention time) были выполнены двумя способами:Experiments to study the possibility of selecting an arbitrary resistive state (plasticity) of the Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structure and its storage over time (retention time ) were performed in two ways:

1) путем подачи импульсов различной полярности и амплитуды;1) by applying pulses of different polarity and amplitude;

2) по правилу STDP, включающем воздействия на структуру двух последовательных импульсов напряжения одинаковой формы, имитирующих спайки от нейронов.2) according to the STDP rule, including the impact on the structure of two consecutive voltage pulses of the same shape, simulating spikes from neurons.

Результирующий разностный импульс напряжения от спайков определялся программным образом и подавался на Cr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr структуру, после чего измерялось ее сопротивление при напряжении чтения Ur=0,1 В.The resulting difference voltage pulse from the spikes was determined programmatically and applied to the Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structure, after which its resistance was measured at reading voltage U r = 0.1 V.

Изучение устойчивости структуры Cr/Cu/Cr/(Co41Fe39B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr к деградации при циклических переключениях (endurance) проводили при последовательной подаче импульсов напряжения длительностью 100 мс: Uset →Ur → Ures →Ur, где:The stability of the Cr / Cu / Cr / (Co 41 Fe 39 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structure to degradation during cyclic switching (endurance) was studied by applying successive voltage pulses of 100 ms duration : U set → U r → U res → U r , where:

Uset=+(5-7) В - напряжение записи (set), переводящее структуру в низкоомное состояние;U set = + (5-7) V is the write voltage (set), which transfers the structure to a low-impedance state;

Ur=0,1 В - напряжение чтения;U r = 0.1 V - read voltage;

Ures=-(5-7) В - напряжение стирания (reset) или возвращения структуры в исходное состояние (Ures ≈ - Uset).U res = - (5-7) V - voltage to erase (reset) or return the structure to its original state (U res ≈ - U set ).

Установлено, что гистерезис в вольт-амперной характеристике, характерный для эффекта резистивного переключения, наиболее сильно наблюдается при некотором оптимальном содержании аморфного сплава х=xopt, меньшем на 2-3 ат.% порога перколяции. Данный факт иллюстрируется фиг. 2, где приведены вольт-амперные характеристики для структур Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr с содержанием аморфного сплава (х ≈ 13 и 16 ат.%) ниже и выше порога перколяции хр ≈ 15 ат.%, полученные в режиме ограничения по току на уровне 0,1 А. Видно, что ниже порога при х ≈ 13 ат.% наблюдается достаточно сильный гистерезис в вольт-амперной характеристике, тогда как в металлическом режиме (х ≈ 16 ат.%) гистерезис отсутствует.Отметим, что в высокоомном и низкоомном состояниях структуры ее вольт-амперная характеристика является линейной вплоть до напряжений смещения U ≈ 0,4 В; отношение Roƒƒ/Ron ≈ 32,4 и 31,5 при U=0,1 и 0,4 В, соответственно.It was found that the hysteresis in the current – voltage characteristic, characteristic of the effect of resistive switching, is most strongly observed at a certain optimal content of the amorphous alloy x = x opt , lower by 2-3 at.% Percolation threshold. This fact is illustrated in FIG. 2, which shows the current – voltage characteristics for the structures Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr with an amorphous alloy content (x ≈ 13 and 16 at.%) below and above the percolation threshold x p ≈ 15 at.%, obtained in the current limit mode at 0.1 A. It can be seen that a sufficiently strong hysteresis in the current-voltage range is observed below the threshold at x ≈ 13 at.% characteristic, whereas in the metallic mode (x ≈ 16 at.%) hysteresis is absent. Note that in the high-resistance and low-resistance states of the structure, its current-voltage characteristic is linear up to voltage bias U ≈ 0.4 V; the ratio R oƒƒ / R on ≈ 32.4 and 31.5 at U = 0.1 and 0.4 V, respectively.

На фиг. 3 представлены результаты экспериментов по изучению возможности подбора произвольного резистивного состояния структуры Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-xCr/Cu/Cr и его хранения во времени (не менее 1 часа). Видно, что при воздействии на структуру импульсами напряжения амплитудой +5 В длительностью 10 с (линия 1 на фиг. 3) достигается ее переход из начального высокоомного состояния (Rh ≈ 2900 Ом) в наиболее низкоомное (Rl ≈ 300-350 Ом). Однако, после воздействия на структуру Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-xCr/Cu/Cr (линия 3 на фиг. 3) 10-ю импульсами меньшей амплитуды (+3 В длительностью 0,2 с) ее сопротивление оказывается в промежуточном состоянии Rint ≈ 1600 Ом, причем разница между начальным и промежуточным состояниями ΔR ≈ 1300 Ом сохраняется с точностью лучше 10%.In FIG. Figure 3 presents the results of experiments to study the possibility of selecting an arbitrary resistive state of the Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x Cr / Cu / Cr structure and its storage in time (at least 1 hours). It can be seen that when the structure is exposed to voltage pulses with an amplitude of +5 V for 10 s (line 1 in Fig. 3), its transition from the initial high-resistance state (R h ≈ 2900 Ohms) to the lowest-resistance state (R l ≈ 300-350 Ohms) is achieved . However, after affecting the structure of Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x Cr / Cu / Cr (line 3 in Fig. 3) with 10 pulses of lower amplitude ( +3 For a duration of 0.2 s), its resistance is in the intermediate state R int ≈ 1600 Ohm, and the difference between the initial and intermediate states ΔR ≈ 1300 Ohm is preserved with an accuracy of better than 10%.

На фиг. 4 представлена форма спайков на пре- и постсинаптическом нейроне, которые использовались для проверки применимости правил STDP. Фиг. 5 демонстрирует возможность изменения резистивного состояния мемристивной структуры Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr с использованием правила STDP. Согласно данному правилу проводимость структуры ΔG должна возрастать (связь между нейронами усиливаться), если разность Δt между временем прихода на мемристор 2-х импульсов напряжения, имитирующих пре- и постсинаптический спайки биологических нейронов, отрицательна (см. фиг. 4). Наоборот, когда Δt>0 (постсинаптический спайк приходит раньше пресинаптического спайка) проводимость уменьшается (связь между нейронами ослабляется). Отметим, что выбранные нами формы импульсов-спайков часто используются для апробации правила STDP. Мы моделировали спайк двумя разнополярными импульсами треугольной формы, имеющими длительности и амплитуды, достаточные для изменения резистивных состояний в созданных мемристорных структурах: в начале напряжение Us в спайках увеличивается от 0 до +4 В в течении 200 мс, затем инвертируется и изменяется от -2 до 0 В за время 500 мс. Результирующий импульс находился программным образом вычитанием из пре- постсинаптического спайка и подавался от источника-измерителя NI PXI-4130 на мемристорную структуру.In FIG. Figure 4 shows the shape of the spikes on the pre- and postsynaptic neuron, which were used to test the applicability of the STDP rules. FIG. 5 shows the possibility of changing the resistive state of the memristive structure Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr using the STDP rule. According to this rule, the conductivity of the ΔG structure should increase (the connection between neurons is strengthened) if the difference Δt between the time of arrival of 2 voltage pulses that imitate the pre- and postsynaptic commissures of biological neurons at the memristor is negative (see Fig. 4). Conversely, when Δt> 0 (the postsynaptic spike arrives before the presynaptic spike), the conductivity decreases (the connection between neurons is weakened). Note that the spike-pulse shapes we have chosen are often used to test the STDP rule. We simulated the spike with two triangular bipolar pulses having durations and amplitudes sufficient to change the resistive states in the created memristor structures: at the beginning, the voltage U s in the spikes increases from 0 to +4 V over 200 ms, then it is inverted and changes from -2 up to 0 V during 500 ms. The resulting pulse was programmatically subtracted from the pre-synaptic spike and applied from the NI PXI-4130 meter to the memristor structure.

Достаточно высокой оказалось устойчивость Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr структур к деградации при циклических переключениях (endurance). Мы не смогли наблюдать заметные эффекты деградации при числе циклов записи/стирания, превышающем 105 раз (фиг. 6), что больше чем для Si Flash памяти и не уступает элементам многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) памяти на основе слоев НfO2, у которых небольшое отношение Roƒƒ/Ron ≈ 6.The resistance of Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structures to degradation upon cyclic switching (endurance) turned out to be rather high. We could not observe noticeable degradation effects when the number of write / erase cycles exceeding 10 5 times (Fig. 6), which is more than for Si Flash memory and is not inferior to the elements of multilevel (analog) elements of non-volatile resistive memory with random access (RRAM) memory based on HfO 2 layers with a small ratio R oƒƒ / R on ≈ 6.

При исследованиях устойчивости Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr структур к резистивному переключению использовалась следующая последовательность измерительных операций: запись +5 В в течение 100 мс, чтение 0,1 В (100 мс), стирание -5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс). Наибольшая стабильность и точность измерения низкоомного и высокоомного состояний во времени наблюдалась для Cr/Cu/Cr/(Co40Fe40B20)x(LiNbO3-y)100-x/Cr/Cu/Cr структур с Cr/Cu/Cr/ электродами 3 и 4, в которых после первых 104 циклов записи/стирания уровни состояний Roƒƒ и Ron оказываются постоянными с точностью лучше 10% при отношении R0ƒƒ/Ron ≈ 20 (см. фиг. 6).In studies of the resistance of Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structures to resistive switching, the following sequence of measurement operations was used: recording +5 V for 100 ms, reading 0.1 V (100 ms), erasing -5 V (100 ms), reading 0.1 V (100 ms). The greatest stability and accuracy of measuring low-resistance and high-resistance states over time was observed for Cr / Cu / Cr / (Co 40 Fe 40 B 20 ) x (LiNbO 3-y ) 100-x / Cr / Cu / Cr structures with Cr / Cu / Cr / electrodes 3 and 4, in which, after the first 10 4 write / erase cycles, the state levels R oƒƒ and R on turn out to be constant with an accuracy of better than 10% at a ratio R 0ƒƒ / R on ≈ 20 (see Fig. 6).

Таким образом, предложенный способ позволяет получать мемристивные структуры, способные моделировать свойства биологических синапсов и одновременно обладающие при циклических резистивных переключениях повышенной устойчивостью (Nmax>105), достаточной для их практического применения.Thus, the proposed method allows to obtain memristive structures capable of simulating the properties of biological synapses and at the same time possessing increased stability (N max > 10 5 ) during cyclic resistive switching, sufficient for their practical application.

Claims (5)

1. Способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, заключающийся в последовательном осаждении слоев на подложку, отличающийся тем, что методом ионно-лучевого распыления последовательно осаждают на ситалловые подложки слой Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом, слой нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид и слой Cr/Cu/Cr, являющийся верхним электродом.1. A method of forming a synaptic memristor based on a metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite, which consists in sequentially depositing layers on a substrate, characterized in that a Cr / Cu / Cr layer, which is the lower electrode, is a metal lower layer electrode, a metal nanocomposite layer is sequentially deposited onto the metal substrates non-stoichiometric oxide and a Cr / Cu / Cr layer, which is the upper electrode. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нанокомпозите металл-нестехиометрический оксид в качестве оксида используют сегнетоэлектрик LiNbO3, а в качестве металла - аморфный сплав Co40Fe40B20.2. The method according to p. 1, characterized in that in the metal-non-stoichiometric oxide nanocomposite, LiNbO 3 ferroelectric is used as the oxide, and the amorphous alloy Co 40 Fe 40 B 20 is used as the metal. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции хр=15 ат.% проводят с недостатком кислорода.3. The method according to p. 1, characterized in that the deposition of the metal-non-stoichiometric metal nanocomposite oxide with a thickness of 2.5-3.5 μm and a metal content of 2-4 at.% Below the percolation threshold x p = 15 at.% Is carried out with lack of oxygen. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что у поверхности нижнего электрода формируют высокоомную прослойку толщиной ≈0,05-0,1 мкм путем добавления на начальном этапе осаждения слоя нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением PO2=(1-3) 10-5 Торр в течение 5-10 мин, после чего проводят осаждение слоев с недостатком кислорода.4. The method according to p. 1, characterized in that a high-resistance layer with a thickness of ≈0.05-0.1 μm is formed at the surface of the lower electrode by adding at the initial stage of deposition of the nanocomposite layer of excess oxygen with a partial pressure P O2 = (1-3) 10 -5 Torr for 5-10 minutes, after which the deposition of oxygen-deficient layers is carried out. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждают слои на подложки, имеющие комнатную температуру.5. The method according to p. 1, characterized in that the layers are deposited on substrates having room temperature.
RU2017138263A 2017-11-02 2017-11-02 Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide RU2666165C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138263A RU2666165C1 (en) 2017-11-02 2017-11-02 Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138263A RU2666165C1 (en) 2017-11-02 2017-11-02 Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2666165C1 true RU2666165C1 (en) 2018-09-06

Family

ID=63460200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017138263A RU2666165C1 (en) 2017-11-02 2017-11-02 Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2666165C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU202461U1 (en) * 2020-10-01 2021-02-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Memristive synapse
CN112909168A (en) * 2021-03-23 2021-06-04 湖北大学 Multifunctional storage device based on lithium-doped niobium oxide and preparation method thereof
RU2786791C1 (en) * 2022-04-27 2022-12-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет" Method for forming a polymer memristor based on a two-layer structure semiconductor polymer-ferroelectric polymer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011093891A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristor with controlled electrode grain size
US20110266515A1 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 Pickett Matthew D Memristive switch device
US20140197369A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanoparticle-based memristor structure
RU2524415C1 (en) * 2013-04-18 2014-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Mixed metal oxide-based memristor
WO2015167351A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Nokia Technologies Oy Memristor and method of production thereof
RU159146U1 (en) * 2015-08-18 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" MEMORISTOR SWITCH
WO2016153461A1 (en) * 2015-03-20 2016-09-29 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Memristive device with doped sol-gel switching layer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011093891A1 (en) * 2010-01-29 2011-08-04 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristor with controlled electrode grain size
US20110266515A1 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 Pickett Matthew D Memristive switch device
US20140197369A1 (en) * 2013-01-16 2014-07-17 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanoparticle-based memristor structure
RU2524415C1 (en) * 2013-04-18 2014-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Mixed metal oxide-based memristor
WO2015167351A1 (en) * 2014-04-30 2015-11-05 Nokia Technologies Oy Memristor and method of production thereof
WO2016153461A1 (en) * 2015-03-20 2016-09-29 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Memristive device with doped sol-gel switching layer
RU159146U1 (en) * 2015-08-18 2016-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" MEMORISTOR SWITCH

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU202461U1 (en) * 2020-10-01 2021-02-18 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" Memristive synapse
CN112909168A (en) * 2021-03-23 2021-06-04 湖北大学 Multifunctional storage device based on lithium-doped niobium oxide and preparation method thereof
CN112909168B (en) * 2021-03-23 2024-01-30 湖北大学 Multifunctional storage device based on lithium doped niobium oxide and preparation method thereof
RU2786791C1 (en) * 2022-04-27 2022-12-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет" Method for forming a polymer memristor based on a two-layer structure semiconductor polymer-ferroelectric polymer

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
Campbell Self-directed channel memristor for high temperature operation
Panwar et al. Arbitrary spike time dependent plasticity (STDP) in memristor by analog waveform engineering
Zhao et al. An electronic synapse memristor device with conductance linearity using quantized conduction for neuroinspired computing
Waser et al. Introduction to new memory paradigms: memristive phenomena and neuromorphic applications
Ilyas et al. Controllable resistive switching of STO: Ag/SiO2-based memristor synapse for neuromorphic computing
Chen et al. Analog resistive switching and synaptic functions in WO x/TaO x bilayer through redox-induced trap-controlled conduction
Jo Nanoscale memristive devices for memory and logic applications
Jena et al. Bipolar resistive switching in TiO2 artificial synapse mimicking Pavlov’s associative learning
Sokolov et al. Ar ion plasma surface modification on the heterostructured TaOx/InGaZnO thin films for flexible memristor synapse
Ismail et al. Emulating synaptic plasticity and resistive switching characteristics through amorphous Ta2O5 embedded layer for neuromorphic computing
Ku et al. Improved resistive switching and synaptic characteristics using Ar plasma irradiation on the Ti/HfO2 interface
Jung et al. Enhanced switching properties in TaO x memristors using diffusion limiting layer for synaptic learning
Thomas et al. Tunnel junction based memristors as artificial synapses
Sakellaropoulos et al. Enhancing the synaptic properties of low-power and forming-free HfOx/TaOy/HfOx resistive switching devices
Lee et al. Improved switching and synapse characteristics using PEALD SiO2 thin film in Cu/SiO2/ZrO2/Pt device
RU2666165C1 (en) Method for forming a synaptic memristor based on a nanocomposite of metal-nonstechometric oxide
Tian et al. Bivariate-continuous-tunable interface memristor based on Bi 2 S 3 nested nano-networks
So et al. Short-term memory characteristics in n-type-ZnO/p-type-NiO heterojunction synaptic devices for reservoir computing
Ali et al. Versatile GeS-based CBRAM with compliance-current-controlled threshold and bipolar resistive switching for electronic synapses
Jinesh The effect of the top electrode on the switching behavior of bipolar Al2O3/ZnO RRAM
Ismail et al. Nano-crystalline ZnO memristor for neuromorphic computing: Resistive switching and conductance modulation
Mohanty et al. Uniform resistive switching and highly stable synaptic characteristics of HfOx sandwiched TaOx-based memristor for neuromorphic system
Park et al. Engineering method for tailoring electrical characteristics in TiN/TiO x/HfO x/Au bi-layer oxide memristive devices
Cao et al. Fully physically transient volatile memristor based on Mg/magnesium oxide for biodegradable neuromorphic electronics