En optimeret struktur af memristiv enhed til neuromorfe computersystemer

Forskere fra Lobachevsky University har implementeret en ny variant af metaloxid-membranenheden, som lover brug i RRAM (resistive random access memory) og nye computersystemer, herunder neuromorfe.

Variabilitet (manglende reproducerbarhed) af resistive switching-parametre er nøgleudfordringen på vejen til nye anvendelser af memristive enheder. Denne variabilitet af parametre i 'metal-oxid-metal'-anordningstrukturer bestemmes af den stokastiske karakter af migrationsprocessen for iltionen og/eller iltpladser, der er ansvarlige for oxidation og reduktion af ledende kanaler (filamenter) i nærheden af ​​metal/oxid-grænsefladen . Det forværres også af nedbrydningen af ​​enhedsparametre i tilfælde af ukontrolleret iltudveksling.

Traditionelle tilgange til at kontrollere den memristive effekt omfatter brugen af ​​specielle elektriske feltkoncentratorer og konstruktion af materialer/grænseflader i den memristive enheds struktur, som typisk kræver en mere kompleks teknologisk proces til fremstilling af memristive enheder.

Ifølge Alexey Mikhaylov, leder af UNN PTRI -laboratoriet, Nizhny Novgorod-forskere brugte for første gang i deres arbejde en tilgang, der kombinerer fordelene ved materialeteknik og selvorganiserende fænomener på nanoskalaen. Det involverer en kombination af materialer af elektroder med en vis oxygenaffinitet og forskellige dielektriske lag, samt selvsamling af metal nanoclusters, der fungerer som elektriske feltkoncentratorer.

"Denne fremgangsmåde kræver ikke yderligere operationer i fremstillingsprocessen for sådanne anordninger og viser et praktisk vigtigt resultat:stabilisering af resistiv omskiftning mellem ikke-lineære resistive tilstande i en flerlags enhedsstruktur baseret på yttrium-stabiliserede zirconiumdioxidfilm med en given koncentration ilt og yderligere lag af tantaloxid, " forklarer Alexey Mikhaylov.

Efter en omfattende undersøgelse af strukturen og sammensætningen af ​​materialer af Lobachevsky Universitys videnskabsmænd, det er muligt at fortolke det opnåede resultat på grundlag af konceptet om dannelse af filamenter med en central ledende del i ZrO ₂ (Y) film og reproducerbare strukturelle transformationer mellem en mere ledende rutil-lignende TaO _x fase og det dielektriske Ta ₂ O ₅ fase i den underliggende tantaloxidfilm under Joule-opvarmning af lokalområdet nær filamentet.

Tilstedeværelsen af ​​korngrænser i ZrO ₂ (Y) som foretrukne nukleationssteder for filamenter, tilstedeværelsen af ​​nanokluster som feltkoncentratorer i Ta ₂ O ₅ film, og udvekslingen af ​​oxygen mellem oxidlagene ved grænsefladen med TiN bidrager til stabiliseringen af ​​resistive tilstande.

"Det er vigtigt at bemærke, at den optimerede struktur også er blevet implementeret som en del af den memristive chip med krydspunkts- og tværstangsenheder (enhedsstørrelse:20 μm × 20 μm), som demonstrerer robust switching og lav variation af resistive tilstande (mindre end 20 %), hvilket åbner mulighed for programmering af memristive vægte i store passive arrays og deres anvendelse i hardwareimplementering af forskellige funktionelle kredsløb og systemer baseret på memristorer. Det forventes, at det næste skridt i retning af kommercialisering af de foreslåede tekniske løsninger vil bestå i at integrere rækken af ​​memristive enheder med CMOS-laget, der indeholder periferi- og kontrolkredsløb, " slutter Alexey Mikhaylov.