Научная статья на тему 'Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга'

Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
354
82
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕАКТИВНОЕ МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ / МЕМРИСТОР / СИНАПС / REACTIVE MAGNETRON SPUTTERING / MEMRISTOR / SYNAPSE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Бобылев Андрей Николаевич, Удовиченко Сергей Юрьевич

Статья посвящена исследованию в области твердотельной нейроморфной электроники. Затронуты требования к стабильности и воспроизводимости характеристик твердотельных аналогов синапсов мемристоров и способы получения устройств, соответствующих этим требованиям. Описываются результаты эксперимента по получению тонкопленочного электронного устройства на основе смешанного оксида металлов Al:TiO 2. Представлены вольт-амперные характеристики твердотельного элемента и отмечена существенная нелинейность этих характеристик. Описаны зависящие от времени эффекты в процессах переключения мемристора. Указаны свойства живых синапсов, воспроизведенные в твердотельном элементе, и возможность использования полученного мемристора, как суммирующего элемента искусственного нейрона.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Бобылев Андрей Николаевич, Удовиченко Сергей Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The creation of an electronic memory device with properties similar to organic synapse

The paper is devoted to research in the field of solid-state neuromorphic electronics. The requirements for stability and reproducibility of the characteristics of solid-state analogues of synapses memristors and meeting these requirements devices fabrication methods are discussed. The experiment of obtaining multilayer thin-film electronic device based on mixed metal oxide Al:TiO 2 and its results are described. The current-voltage curves of the obtained solid element are presented and significant non-linearity of these CVCs is noted. Time-dependent effects in memristor switching process are described. The organic synapse properties reproduced in solid element and possibility of the fabricated device usage as a summing element of an artificial neuron are described.

Текст научной работы на тему «Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга»

УДК 004.335; 004.8; 621.382 А.Н. Бобылев, С.Ю. Удовиченко

Создание электронного запоминающего устройства, подобного по свойствам синапсу мозга

Статья посвящена исследованию в области твердотельной нейроморфной электроники. Затронуты требования к стабильности и воспроизводимости характеристик твердотельных аналогов синапсов - мемристоров и способы получения устройств, соответствующих этим требованиям. Описываются результаты эксперимента по получению тонкопленочного электронного устройства на основе смешанного оксида металлов Al:TiO2. Представлены вольт-амперные характеристики твердотельного элемента и отмечена существенная нелинейность этих характеристик. Описаны зависящие от времени эффекты в процессах переключения мем-ристора. Указаны свойства живых синапсов, воспроизведенные в твердотельном элементе, и возможность использования полученного мемристора, как суммирующего элемента искусственного нейрона.

Ключевые слова: реактивное магнетронное распыление, мемристор, синапс.

В области информационных технологий одним из приоритетных направлений является создание компьютеров нового поколения, нейросетей и искусственного интеллекта. Использование аналоговых элементов нейронных сетей позволяет оптимизировать процесс обработки команд в сравнении со стандартной КМОП логикой. Основу предлагаемых нейроморфных систем составляют мемристоры (memory resistor) - двухполюсные устройства, электрическое сопротивление которых обратимо изменяется от состояния с высоким сопротивлением (HRS) до состояния с низким сопротивлением (LRS) в зависимости от проходящего через него тока. Посредством снижения сопротивления мемристора в узлах нейросети формируется связь, устойчивость и вес которой зависят от свойств мемристора. При повышении сопротивления мемристора происходит забывание или торможение. В таких устройствах информационный и управляющий сигналы могут быть объединены -возможно самообучение системы.

Впервые в [1] экспериментально было показано, что мемристивный эффект возникает в нано-размерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения отрицательных ионов кислорода в тонком диэлектрическом слое толщиной ~5 нм диоксида титана TiO2 при приложении электрического поля. В настоящее время для мемристоров обоснованы две области применения: энергонезависимая универсальная память, призванная заменить существующие ОЗУ и ПЗУ, и ней-роморфные структуры - устройства, в которых прохождение и изменение информационного сигнала подчиняются той же логике, что и процессы в нервной системе живых существ. Высшим развитием последнего направления могут считаться кортикоморфные структуры, эмулирующие работу кортикальных колонок головного мозга.

Электрические свойства мемристора. Архитектура кортикальных колонок включает в себя десятки тысяч синаптических элементов, параметры которых должны быть предсказуемы. Поэтому к искусственным аналогам таких элементов предъявляются требования высокой стабильности и воспроизводимости характеристик. Для создания вычислительных систем на основе мемристоров в [2] предложен материал с относительно высокими стабильностью и повторяемостью характеристик на основе смешанного оксида металлов Ti0.85Al0.15Oy толщиной 20 нм, нанесенный на кремниевую подложку методом атомарно-слоевого осаждения. В [3] приведены данные, показывающие, что при легировании оксида четырехвалентного переходного металла алюминием уменьшается энергия связи атомов основного металла и кислорода, а также увеличивается концентрация кислородных вакансий вокруг атомов примеси. Это приводит к снижению напряжения переключения устройства и увеличению отношения HRS/LRS, т.е. увеличению рабочего диапазона мемристора.

Создание электронного устройства. В настоящей работе методом одновременного реактивного магнетронного распыления катодов из алюминия и титана в среде кислорода в магнетронном модуле комплекса «НаноФаб-100» получен тонкопленочный материал из смешанного нестехиометри-ческого оксида Ti0,92Al0,08O^96. Материал обладает более высокой по сравнению с приведенными в

[2] стабильностью и воспроизводимостью характеристик из-за отсутствия примесей и равномерного распределения элементов по толщине пленки.

С помощью литографического комплекса «Nanomaker» совместно с электронным микроскопом JSM-6510LV, магнетронного модуля НТК «НаноФаб-100» создано электронное устройство TiN/TixAl1-xOy/TiN: активный мемристорный слой в виде пленки смешанного оксида металлов с тремя проводящими дорожками сверху и четырьмя снизу.

Для поддержания обратимости ионного переноса между металлическими электродами и рабочей пленкой методом магнетронного напыления помещен тонкий слой нитрида титана. Толщина рабочей пленки Ti0,92Al0,08O1)96 составляет 20 нм, пленки TiN - 30 нм. В производстве микроэлектронных устройств подслой TiN между металлизацией и активным полупроводниковым слоем традиционно применялся для затруднения диффузии металла в полупроводник [4]. В статье [5] роль нитрида титана сводится к образованию пленки TiOxN1-x, затрудняющей дрейф кислорода.

Исследование свойств мемристора. С помощью зондового микроскопа NTegra Aura были исследованы вольт-амперные характеристики полученной гетероструктуры. Обнаружено, что исследуемая структура обладает выраженным эффектом мемристивности - при достижении граничного напряжения в пленке Ti0,92Al0,08O1)96 приблизительно на три порядка снижается электрическое сопротивление. Достигнутое состояние сохраняется при приложении напряжения, существенно меньшего, чем требуется для переключения состояния. Такое состояние сохраняется в течение продолжительного времени и является обратимым.

На рис. 1 представлена вольт-амперная характеристика структуры, иллюстрирующая процесс переключения мемристора. На ВАХ виден гистерезис токов между прямой и обратной ветками на-гружения. На рис. 2 показана ВАХ открытого мемристора в диапазоне напряжений меньших, чем напряжение переключения.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика Рис. 2. ВАХ открытого мемристора

переключения мемристора

Важно отметить нелинейность ВАХ, обусловленную вкладом слоев нитрида титана, создающих барьеры Шоттки на границах с металлическими проводящими дорожками.

Выводы. Подобие свойств синапса и мемристора. Электрические характеристики мемристора определяются предысторией его функционирования, что подобно свойствам синапса.

При исследовании ВАХ мемристора были обнаружены следующие эффекты:

1. Эффект сохранения состояния при подаче импульсов напряжения с амплитудой меньше напряжения переключения, что соответствует импульсации в нервных клетках. Такие импульсы позволяют производить считывание состояния отдельного мемристора и сохранять в нем требуемое состояние неограниченное время.

2. Релаксация состояния: при снятии напряжения с мемристора под действием кулоновских сил ионы кислорода вытесняются из депо Т1К и их концентрация стремится к равновесной по толщине активной пленки. Время релаксации составляет от 0,8 с до десятков минут в зависимости от толщины пленки и может быть дополнительно увеличено на несколько порядков введением между пленками Т10)92А10)08О1>96 и Т1К мембранного слоя ТЮ, затрудняющего диффузию вакансий [5].

Описанный эффект позволяет говорить о существовании кратковременной и долгосрочной памяти в полученных мемристорах. О возможности существования эффекта кратковременной памяти в мемристорах сообщалось в работах [6] и [7], где также дано и обосновано сравнение принципов работы синапса и типового мемристора.

Если подать повторный зондирующий импульс с некоторой задержкой после первоначального включения мемристора (см. рис. 1), то можно обратить процесс релаксации его состояния. ВАХ мемристора при подаче импульсов с разными задержками представлены на рис. 3. В случае а задержка больше, чем в б.

1

df

f

?

0 1 к в

а б

Рис. 3. ВАХ мемристора при подаче повторного зондирующего импульса с разной задержкой

При подаче импульса с минимальной задержкой состояние мемристора не релаксирует и ВАХ соответствует состоянию включенного мемристора.

3. В области рабочих напряжений ВАХ исследуемого мемристора нелинейна, что позволяет гибко регулировать выходной ток мемристора при незначительном изменении уровня входного сигнала. Такое изменение позволит более гибко подходить к формированию цепочек из нескольких связанных мемристоров, по которым передается восходящий сигнал в многослойной нейроморфной структуре. Кроме того, график нелинейной ВАХ открытого мемристора может быть апроксимиро-ван с высокой точностью функцией гиперболического тангенса. Известно [8], что гиперболический тангенс используется в качестве суммирующей функции в математической модели искусственного нейрона с выходным сигналом, препятствующим насыщению.

Таким образом, можно заключить, что созданная гетероструктура обладает следующими свойствами синапса: возможностью формирования кратковременного и долговременного возбуждения и обучаемостью при последующем повторном иннервировании. Кроме того, ВАХ синтезированной структуры совпадает с используемой в моделировании нейроморфных систем суммирующей функцией нейрона. Это позволит использовать мемристор не только в качестве синапсов, но и в качестве суммирующего элемента искусственных нейронов.

Литература

1. The missing memristor found / D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams // Nature. -2008. - Vol. 453. - Р. 80-83.

2. Пат. 2 472 254 РФ, МПК H 01 L 45/00, B 82 B 1/00. Мемристор на основе смешанного оксида металлов / А.П. Алехин (РФ), А.С. Батурин (РФ), И.П. Григал (РФ) и др. - № 2 011 146 089/07, заявл. 14.11.2011; опубл. 10.01.2013. Бюл. № 1. - 12 с.

3. Improvement of resistive switching stability of HfO2 films with Al doping by atomic layer deposition / C.-S. Peng, W.-Y. Chang, Y.-H. Lee et al. // Electrochemical and Solid-State Letters. - 2012. -Vol. 15, № 4. - Р. H88-H90.

4. Kouno T. Effect of TiN microstructure on diffusion barrier properties in Cu metallization / T. Kouno, H. Niwa, M. Yamada // Journal of The Electrochemical Society. - 1998. - Vol. 145, № 6. -P.2164-2167.

5. Roles of interfacial TiOxNi-x layer and TiN electrode on bipolar resistive switching in TiN/TiO2/TiN frameworks / S.K. June, H.D. Young, Ch.B. Yoon et.al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. -Vol. 96, № 22. - 223502.

6. Chang T. Short-term memory to long-term memory transition in a nanoscale memristor / T. Chang, S.-H. Jo, W. Lu // ACS Nano. - 2011. - Vol. 5, №9. - P. 7669-7676.

7. Nanoscale memristor device as synapse in neuromorphic systems / S.-H Jo, T. Chang, I. Ebong et.al. // Nano Lett. - 2010. - Vol. 10, №4. - P. 1297-1301.

8. Миркес Е.Н. Нейрокомпьютер. Проект стандарта. - Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 337 с.

Бобылев Андрей Николаевич

Аспирант каф. МНТ, ТюмГУ

Тел.: +7-922-046-19-97

Эл. почта: [email protected]

Удовиченко Сергей Юрьевич

Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. МНТ, рук. НОЦ «Нанотехнологии», ТюмГУ Тел.: +7-922-004-46-74 Эл. почта: [email protected]

Bobylev A.N., Udovichenko S.Y.

The creation of an electronic memory device with properties similar to organic synapse

The paper is devoted to research in the field of solid-state neuromorphic electronics. The requirements for stability and reproducibility of the characteristics of solid-state analogues of synapses - memristors and meeting these requirements devices fabrication methods are discussed. The experiment of obtaining multilayer thin-film electronic device based on mixed metal oxide Al:TiO2 and its results are described. The current-voltage curves of the obtained solid element are presented and significant non-linearity of these CVCs is noted. Time-dependent effects in memristor switching process are described. The organic synapse properties reproduced in solid element and possibility of the fabricated device usage as a summing element of an artificial neuron are described.

Keywords: reactive magnetron sputtering, memristor, synapse.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.