Research of Memristor Effect in Crossbar Architecture for Neuromorphic Artificial Intelligence Systems

V. V. Polyakova; Полякова В. В.; A. V. Saenko; Саенко А. В.; I. N. Kots; Коц И. Н.; A. V. Kovalev; Ковалев А. В.

doi:10.31857/S0544126924010069

Исследование мемристорного эффекта в кроссбар-архитектуре для нейроморфных систем искусственного интеллекта

Авторы: Полякова В.В.¹, Саенко А.В.¹, Коц И.Н.¹, Ковалев А.В.¹
Учреждения:
1. Южный федеральный университет
Выпуск: Том 53, № 1 (2024)
Страницы: 58-63
Раздел: ПРИБОРЫ
URL: https://medbiosci.ru/0544-1269/article/view/259587
DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126924010069
ID: 259587

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований структур, сформированных на основе кроссбар-архитектуры мемристорных структур из различных материалов. В качестве рабочего мемристорного слоя был использован TiO₂. В качестве материала для контактных площадок были использованы: Al, Ni, Cr, Mo, Ta, Ag. В ходе проведения экспериментальных исследований было выявлено оптимальное сочетание материалов для формирования кроссбар мемристорных структур, которые в дальнейшем могут быть использованы в устройствах нейроморфных систем искусственного интеллекта.

Ключевые слова

мемристор, кроссбар-архитектура, нейроморфные системы, магнетронное напыление, атомно-силовая микроскопия

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день одним из перспективных направлений научно-технического прогресса является развитие и реализация искусственного интеллекта на основе нейронных сетей [1]. Основные задачи, на которые ориентированы нейронные сети, состоят в обработке большого количества данных, реализации машинного обучения и самообучения, а также в распознавании изображений и речи. Современная архитектура фон Неймана, применяемая для решения указанных задач, где память и обработка информации физически разделены, испытывает огромные трудности, в то время как мозг человека работает доли секунд с незначительными энергозатратами — во много раз меньше современных компьютеров [2].

Однако для реализации новой элементной базы нейронных сетей необходимо решить ряд задач. Во-первых, разработать элементы памяти с многоуровневым переключением, которые могут использоваться в нейронных сетях в качестве искусственных аналогов синапсов. Во-вторых, требуется создать быстродействующую энергонезависимую флеш-память большого объема, способную сохранять информацию в течение не менее 10 лет при высокой температуре. В-третьих, нужно разработать универсальную память, которая объединяет высокую скорость работы и возможность многократного перепрограммирования, энергонезависимость флэш-памяти, большую емкость для хранения информации и низкую стоимость.

Для решения всех перечисленных задач мемристорные структуры, сформированные на основе кроссбар-архитектуры, являются многообещающим и перспективными. Мемристорные структуры представляют собой диэлектрическую пленку между двумя металлическими контактами, имеющую обратимый переход между различным сопротивлением при протекании импульса тока. Однако для понимания физики процессов, происходящих в контакте между материалами мемристорного слоя, необходимо проводить исследования для разработки и поиска наиболее подходящих материалов с наилучшими рабочими параметрами мемристорных структур [3].

На сегодняшний день существует множество способов формирования мемристорного слоя, но из-за очень маленького размера мемристорных структур, а также преимущества в возможности контролировать полученные структуры, нами был выбран метод локального анодного окисления (ЛАО) с помощью атомно-силового микроскопа. Метод ЛАО позволяет формировать оксидные наноразмерные структуры различных материалов [4, 5, 6]. Полученные таким образом структуры могут обладать заданными параметрами и свойствами. В работе [6] с помощью метода ЛАО было показано, что оксид титана, сформированный таким образом, проявляет мемристорный эффект. Поскольку данный материал совместим с КМОП-технологией, он имеет параметры быстродействия для TiO₂ < 5 нс [7], воспроизводимость количества циклов TiO₂ > 2 × 10⁶ [8], что является решающими факторами при разработке и реализации мемристорной структуры, поэтому в нашей работе TiO₂ был использован в качестве рабочего мемристивного слоя для построения кроссбар-структуры.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На рис. 1 приведен разработанный авторами технологический маршрут изготовления кроссбар-архитектуры мемристорных структур.

Рис. 1. Технологический маршрут формирования кроссбар-архитектуры.

Цифрой 1 показана подложка кремния, цифрой 2 — подложка после напыления оксида кремния, которое проводилось методом магнетронного распыления на настольной вакуумной установке магнетронного напыления VSE-PVD-DESK-PRO (ООО “АкадемВак”). Внешний вид установки представлен на рис. 2. Изолирующий слой толщиной (70 ± 5) нм формировался на указанной установке 210 мин при мощности 75 Вт, давлении 5 × 10^–3 мбар и температуре 120°C. Затем (также методом магнетронного распыления) по всей поверхности наносился слой нижнего контакта из Ti. Время напыления составило 1 мин, давление — 5 × 10^–3 мбар, температура — 120°C и мощность — 200 Вт. Таким образом, формировался нижний контакт толщиной (20 ± 5) нм. Цифрой 4 на рис. 1 показана маска, которой закрывался образец для нанесения Ti, а цифрой 5 — ступенька из Ti, сформированная магнетронным распылением за время напыления 0.5 мин при давлении 5 × 10^–3 мбар, температуре 120°C и мощности 200 Вт. Таким образом, был сформирован слой толщиной (10 ± 5) нм.

Рис. 2. Настольная вакуумная установка магнетронного напыления VSE-PVD-DESK-PRO.

На рис. 1 под номером 6 (белым цветом) показан сформированный мемристорный слой. Его формирование проводилось с помощью зондового микроскопа Solver P47 PRO (ЗАО “НТ-МДТ”, Россия) (рис. 3). Методом ЛАО по поверхности титана в контактном режиме АСМ с кантилеверами NSG 10 с проводящим покрытием Pt была проведена нанолитография. АСМ проводился со следующими параметрами: амплитуда импульсов напряжения составляла 10 В, длительность импульсов напряжения — 100 мс, частота колебаний зонда — 0.03 Гц, ток цепи обратной связи (в программе управления PNL параметр Set Point) — 0.3 нА. Относительная влажность воздуха при ЛАО контролировалась влагомером Oregon Scientific ETHG913R и варьировалась в диапазоне (50 ± 1)%. В результате был сформирован мемристорный слой.

Рис. 3. Зондовый микроскоп Solver P47 PRO.

Цифрой 7 на рис. 1 показано, как с помощью маски проводилось формирование слоя верхних контактов. Напыление металлов в качестве верхнего контакта производилось также на установке МВУ ТМ МАГНА 01 при давлении 5 × 10^–3 мбар и температуре 120°C. При этом: для Al мощность при напылении составила 200 Вт, а время — 0.5 мин; для Ni мощность при напылении составила 200 Вт, а время — 0.5 мин; для Cr мощность при напылении составила 150 Вт, а время — 0.45 мин; для Mo мощность при напылении составила 150 Вт, а время — 0.45 мин; для Ta мощность при напылении составила 150 Вт, а время — 0.45 мин; для Ag мощность при напылении составила 150 Вт, а время — 1 мин.

Цифрой 8 на рис. 1 показан сформированный макет рабочих тестовых образцов кроссбар-архитектуры мемристорных структур с мемристорным слоем из TiO₂ с различными материалами верхнего контакта. Таким образом было изготовлено шесть макетов структур: Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Al, Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ni, Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Cr, Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo, Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ta, Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ag.

Далее были исследованы электрические характеристики шестиизготовленных макетов структур с помощью зондового микроскопа Solver P47 PRO. Измерения параметров и характеристик макетов сформированных структур производилось методом АСМ в контактном режиме. На рис. 4 приведена электрическая схема получения вольт-амперных характеристик (ВАХ) исследуемых кроссбар-структур.

Рис. 4. Схема измерения ВАХ макета кроссбар мемристорных структур.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученная ВАХ кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Al представлена на рис. 5.

Рис. 5. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Al.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Al проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –5 до 5 В. Напряжение записи U_set составило 4.1 В при токе 14 нА. Напряжение сброса U_res = –3 В при токе –2.5 нА.

Вольт-амперная характеристика кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ni показана на рис. 6.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Ni.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ni проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –1.5 до 1.5 В. Напряжение записи U_set составило 1.5 В при токе 26 нA. Напряжение сброса U_res = –0.8 В при токе –28 нA.

Вольт-амперная характеристика кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Cr изображена на рис. 7.

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Cr.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Cr проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –4 до 4 В. Напряжение записи U_set составило 3.8 В при токе 14 нA. Напряжение сброса U_res = –3.8 В при токе –18 нA.

Вольт-амперная характеристика кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo приведена на рис. 8.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Mo.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –4 до 4 В. Напряжение записи U_set составило 1.8 В при токе 10 нA. Напряжение сброса U_res = –3 В при токе –1.1 нA.

Вольт-амперная характеристика кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ta показана на рис. 9.

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Ta.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ta проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –1 до 1 В. Напряжение записи U_set составило 0.8 В при токе 20 нA. Напряжение сброса U_res = –0.5 В при токе –17 нA.

Вольт-амперная характеристика кроссбар-мемристорных структур Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ag представлена на рис. 10.

Рис. 10. Вольт-амперные характеристики структуры Si/SiO₂/Ti/TiO₂/Ag.

Измерение параметров структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ag проводилось в контактном режиме при подаче импульсов напряжения от –0.5 до 0.5 В. Напряжение записи U_set составило 0,43 В при токе 5.1 нA. Напряжение сброса U_res = –0.3 при токе –18 нA.

Одним из показателей оптимальной работы мемристора является отношение высокоомного сопротивление (HRS) к низкоомному (LRS), которое рассчитано нами для каждой из сформированных и полученных структур.

Высокоомное сопротивление определено по формуле

$R_{H R S} = U_{r e s} / I_{r e s}$ ,

где U_res — напряжение сброса; I_res — ток сброса.

Низкоомное сопротивление вычислено по следующей формуле:

$R_{L R S} = U_{s e t} / I_{s e t}$ ,

где U_set — напряжение записи; I_set — ток записи.

Расчетные значения R_HRS / R_LRS приведены в табл. 1.

Таблица 1. Расчетные значения R_HRS / R_LRS

Структура	R_HRS	R_LRS	R_HRS / R_LRS
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Al	1.200	0.20	6.0
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ni	0.020	0.05	0.4
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Cr	0.210	0.27	0.7
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo	2.700	0.18	15.0
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ta	0.020	0.04	0.5
Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ag	0.016	0.08	0.2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в ходе исследования мемристорного эффекта в кроссбар-архитектуре структур для нейроморфных систем искусственного интеллекта с различными материалами верхнего контакта было выявлено, что все полученные структуры обладали мемристорным эффектом. Наибольшее значение отношений высокоомного сопротивления (HRS) к низкоомному (LRS) — 15 — показала структура Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo, а наименьшее значение — 0.2 — структура Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Ag. Полученные данные указывают на то, что в результате проведенных экспериментальных исследований выявлено оптимальное сочетание материалов для формирования кроссбар-мемристорных структур, которые в дальнейшем смогут быть использованы в устройствах нейроморфных систем искусственного интеллекта на основе структуры Si / SiO₂ / Ti / TiO₂ / Mo.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Данная работа выполнена в рамках проекта “Разработка и исследование методов и средств мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния инженерных объектов на основе искусственного интеллекта” (задание № FENW-2020-0022). Магнетронное распыление проводилось за счет гранта российского научного фонда № 23-29-00827, https://rfcf.ru/project/23-29-00827/ в Южном федеральном университете.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Список литературы

Пройдаков Э.М. Современное состояние исследований в области искусственного интеллекта // Цифровая экономика. 2018. Т. 3. № 3. С. 50–62.
Гафаров Ф.М. Искусственные нейронные сети и приложения. Казань: Казань, 2018.
Zidan M.A., Strachan J.P., Lu W.D. The future of electronics based on memristive systems // Nat. Electron. 2018. V. 1. P. 22.
Kozhukhov A.S., Scheglov D.V., Fedina L.I., Latyshev A.V. The initial stages of atomic force microscope based local anodic oxidation of silicon AIP Advances 8, 025113 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5007914
Colangelo F., Piazza V., Coletti С., Roddaro S., Beltram F., Pingue P. Local anodic oxidation on hydrogen-intercalated graphene layers: oxide composition analysis and role of the silicon carbide substrate. 2 May 2018. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa59c7.
Polyakova V.V., Saenko A.V. Local Anodic Oxidation for Crossbar-Array Architecture Technical Physics. 2022. V. 92. No. 8. Р. 1159–1165.
Розанов Р.Ю., Кондрашов В.А., Неволин В.К., Чаплыгин Ю.А. Разработка и исследование мемристоров на основе металлических пленок наноразмерной толщины // Наноинженерия. 2014. № 2. С. 22–28.
Choi B.J., Torrezan A.C., Norris K.J., Miao F. Electrical Performance and Scalability of Pt Dispersed SiO2 Nanometallic Resistance Switch // Nano Lett. 2013. № 13 (7). Р. 3213–3217.