Выбор материалов и нанотехнология изготовления комбинированного мемристорного-диодного кроссбара – основы аппаратной реализации нейропроцессора

Abstract

To examine the operation of the memory and logic matrices of the neuroprocessor, it is necessary to produce a laboratory composite memristor-diode crossbar, which is the basis of these matrices. For this purpose, the authors of this article have chosen materials and fabrication nanotechnology of Zener diode semiconductor layers and a memristor layer that provide optimal characteristics of the diode and memristors. This article showsthat magnetron-sputtering method is optimal for fabrication of both diodes and memristors.Thus, all of composite memristor-diode crossbar layers, including conducting paths, can be fabricated in single technological module. ZnOx was chosen asthe n-type semiconductor, the carrier concentration in which is controlled by changing the stoichiometry of the compound during reactive magnetron sputtering. The second p-type layer of the diode was obtained by magnetron sputtering of a silicon target doped with boron. The results show that for the p-Si/ZnOx heterojunction, there is an optimal molar fraction of zinc, which providesthe best characteristics of the diode, and an increase in the doping level of the p-Si layer leadsto an increase in the nonlinearity of the current-voltage characteristic and a decrease in the voltage of the reversible breakdown. The greatest stability of electrical parameters – switching voltages and resistances in highconductive and low-conductive states – was achieved in a memristor with doped titanium oxide W/Ti0,93Al0,07Oy /TiN, which is due not only to the choice of mixed oxide, but also to the choice of its fabrication technology. The measured current-voltage characteristics of separate cells prove the operability of fabricated memristor-diode crossbar. The authors show that the high resistance of the closed diode leads to the almost complete disappearance of the reverse branch of the memristor current – voltage characteristic, since the small resistance of the memristor is lost against the background high resistance of the diode. The developed unified nanotechnology for fabricating a combined memristor-diode crossbar allows the production of ultra-large memory and logic matrices of a neuroprocessor based on one technological module with reactive magnetron sputtering.

Для исследования работы запоминающей и логической матриц нейропроцессора необходимо изготовить лабораторный комбинированный мемристорно-диодный кроссбар, который является основой этих матриц. С этой целью выбраны материалы и нанотехнология изготовления полупроводниковых слоев диода Зенера и мемристорного слоя, обеспечивающие оптимальные характеристики диода и мемристоров. Показано, что метод магнетронного распыления является оптимальным как для изготовления диодов, так и для мемристоров. Таким образом, все слои комбинированного мемристорно-диодного кроссбара, включая проводящие дорожки, могут быть изготовлены в одном технологическом модуле. В качестве полупроводника n-типа выбран ZnOx, концентрация носителей в котором регулируется за счет изменения стехиометрии соединения при реактивном магнетронном распылении. Второй слой диода p-типа получен магнетронным распылением легированной бором кремниевой мишени. Показано, что для гетероперехода p-Si/ZnOx существует оптимальная мольная доля цинка, которая обеспечивает наилучшие характеристики диода, а увеличение уровня легирования слоя p-Si приводит к росту нелинейности вольт-амперной характеристики и уменьшению напряжения обратимого пробоя. Наибольшая стабильность электрических параметров – напряжения переключения и сопротивлений в открытом и закрытом состоянии – достигнута в мемристоре с легированным оксидом титана W/Ti0,93Al0,07Oy /TiN, что обусловлено не только выбором смешанного оксида, но и выбором технологии его изготовления. Измеренные вольт-амперные характеристики отдельных ячеек свидетельствуют о работоспособности изготовленного мемристорно-диодного кроссбара. Показано, что большое сопротивление закрытого диода приводит к практически полному исчезновению обратной ветви вольт-амперной характеристики мемристора в ячейке кроссбара, поскольку небольшое сопротивление мемристора теряется на фоне большого сопротивления диода. Разработанная унифицированная нанотехнология изготовления комбинированного мемристорно-диодного кроссбара позволяет производить сверхбольшие запоминающую и логическую матрицы нейропроцессора на основе одного технологического модуля с реактивным магнетронным распылением.