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

Abstract

In a promising nanoelectronic device – a memristor based on metal oxides, there are many intermediate states with different conductivity between the high- and low-conducting states. These states can be used in the processes of associative learning of a neural network based on memristor synapses and simultaneous input pulses processing, which consists of pulses weighing and summation in a neuroprocessor. Using the method of simultaneous magnetron sputtering of two cathodes in a reactive oxygen environment, the authors obtained thin films of mixed oxides with a different mole fraction of titanium and aluminum. In addition, this article describes the method of obtaining a mixed oxide with a specified metals fraction by controlling the sputtering rates of cathodes using acoustic piezoelectric sensors. The results show that the addition of Al into titanium oxide improves the electrophysical characteristics of the memristor. The authors proved the existence of an optimal mole fraction of Al impurity, at which the maximum ratio of the resistances of the memristor in the high-resistance and low-resistance states. The results indicate that the method of reactive magnetron deposition of mixed metal oxide by simultaneous sputtering of two cathodes provides a more uniform distribution of elements across the thickness of the active layer compared with the atomic layer deposition method. That increase of uniformity is necessary to improve the stability of the memristor. It can be expected that in the memristors on the mixed oxides TixSc1-xOy, Hfx Sc1-xOy, HfxY1-xOy, HfxLu1-x Oy, ZrxSc1-xOy, ZrxY1-xOy, ZrxLu1-xOy, an optimal impurity fraction corresponding to the high and low resistances ratio maximum will be observed. Moreover, memristors on pure films of pure hafnium and zirconium oxides have a much larger range of resistive switching than titanium oxide.

В перспективном устройстве наноэлектроники – мемристоре на основе оксидов металлов между предельными высокопроводящим и низкопроводящим состояниями имеется множество промежуточных состояний с разной проводимостью. Эти состояния можно использовать в процессах ассоциативного обучения нейросети на основе мемристорных синапсов и одновременной обработки входных импульсов, заключающейся в их взвешивании и суммировании в нейропроцессоре. Получены тонкие пленки смешанных оксидов, содержащие разное отношение мольных долей титана и алюминия, путем одновременного магнетронного распыления двух катодов в реактивной среде кислорода. Описан метод получения смешанного оксида с заданным содержанием металлов путем контроля скоростей распыления катодов с помощью акустических пьезодатчиков. Показано, что внесение примеси Al в оксид титана улучшает электрофизические характеристики мемристора. Установлено существование оптимальной мольной доли примеси Al, при которой достигается максимальное отношение сопротивлений мемристора в высокоомном и низкоомном состояниях. Полученные результаты свидетельствуют о том, что реактивное магнетронное осаждение смешанного оксида металлов путем одновременного распыления двух катодов приводит к более равномерному распределению элементов по толщине активного слоя по сравнению с методом атомно-слоевого осаждения, что необходимо для повышения стабильности электрических характеристик мемристора. Можно ожидать, что в мемристорах на смешанных оксидах TixSc1-xOy, Hfx Sc1-xOy, HfxY1-xOy, HfxLu1-x Oy, ZrxSc1-xOy, ZrxY1-xOy, ZrxLu1-xOy также будет наблюдаться оптимальная доля примеси, соответствующая максимально повышенному отношению сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях. Причем мемристоры на пленках с чистыми оксидами гафния и циркония имеют значительно больший диапазон резестивного переключения, чем оксид титана.