Российские нанотехнологии, 2021, T. 16, № 6, стр. 839-845

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время вычислительные системы в основном построены на архитектуре фон Неймана, в которой хранение данных и операции над ними физически разделены [1]. При этом, несмотря на значительные успехи в реализации искусственных нейронных сетей и машинного обучения на существующих вычислительных системах, показано, что в актуальных задачах распознавания образов и речи на перемещение значительных объемов данных тратится больше энергии и времени, чем на вычисления [2, 3]. Для решения данной проблемы активно применяются параллельные вычисления с использованием графических процессоров [4], разработка специализированных процессоров под конкретную задачу [5, 6] или внедрение новых классов памяти в существующие архитектуры [7]. Однако в перечисленных подходах в той или иной степени остается необходимость перемещать большое количество информации между разными уровнями архитектуры, поэтому организация более эффективной работы с данными является актуальной задачей [8]. Становится все более очевидным, что необходима разработка новых архитектур, в которых хранение и обработка данных расположены в одном месте, и одним из возможных решений являются нейроморфные вычислительные системы, которые эмулируют работу мозга [9].

Несмотря на то что нейроморфные вычислительные системы могут быть реализованы на существующих типах флэш-памяти [10], использование ячеек памяти на основе резистивного переключения (ReRAM) [11–14], также известных как мемристоры [15], выглядит более перспективным благодаря низким напряжениям программирования, возможности высокой плотности ячеек [9] и реализации большого числа состояний сопротивления [7, 16, 17]. Более того, с помощью нейросетевых алгоритмов на массивах мемристоров было продемонстрировано решение задач распознавания лиц [18] и рукописного текста [19].

Среди многообразия нейронных сетей можно выделить резервуарные вычисления, позволяющие эффективно обрабатывать изменяющиеся во времени входные данные [20, 21]. Теоретический анализ нейросетей с резервуарными вычислениями показал, что подобные системы на основе мемристоров могут обеспечить отличную производительность в таких задачах, как распознавание образов, обработка сигналов и обнаружение болезней [22–25]. Отметим, что большинство исследований мемристоров сфокусировано на энергонезависимых свойствах и энергозависимость является нежелательной. Однако для резервуарных вычислений, напротив, энергозависимое поведение мемристоров (также называемое кратковременной памятью – short-term memory) является необходимым условием [20, 23].

Применение кроссбар-матриц мемристоров с эффектом кратковременной памяти в системах c резервуарными вычислениями продемонстрировано в [20, 26]. Размер используемой кроссбар-матрицы составил 32 × 32 устройства [20], хотя для практических применений число элементов должно быть увеличено [9]. Отметим, что в кросс-бар-массивах неизбежно возникает проблема скрытых токов утечки (sneak currents) [27–29], препятствующих корректному считыванию состояний, которая может быть решена как за счет внешних селектирующих устройств, например транзисторов [30], так и применением мемристоров с нелинейной [7] или асимметричной (выпрямляющей) вольт-амперной характеристикой (ВАХ) [28]. При этом использование транзисторов в кроссбар-массивах снижает плотность кроссбар-массивов, а применение мемристоров с филаментарным типом переключения приводит к разбросу параметров ячеек [31–34] внутри кроссбар-массива, что затрудняет реализацию высокоплотных нейроморфных вычислительных систем [35]. Таким образом, исследование и разработка нефиламентарных бесформовочных структур [28, 36] с эффектом кратковременной памяти и выпрямляющей ВАХ являются актуальной задачей.

В [36] были исследованы особенности транспорта заряда, асимметрии и время удержания в  нефиламентарных  структурах на основе оксида тантала, где было показано, что стеки TiN/Ta₂O₅/Ta демонстрируют бесформовочный нефиламентарный характер резистивного переключения. В настоящей работе мы демонстрируем в TiN/Ta₂O₅/Ta-резистивных элементах возможность реализации нескольких состояний сопротивления при сохранении асимметричных ВАХ и токовые отклики на различные импульсные воздействия напряжения.

МЕТОДЫ

Для создания структур металл-изолятор-металл (МИМ-структур) TiN/Ta₂O₅/Ta нижний электрод TiN толщиной 20 нм и диэлектрический слой Ta₂O₅ толщиной 15 нм были выращены методом атомно-слоевого осаждения на пластинах Si с естественным оксидом. TiN растили при температуре 400°C с использованием TiCl₄ и NH₃ в качестве прекурсора и реактанта соответственно. Ta₂O₅ был выращен при температуре 240°C с использованием Ta(OC₂H₅)₅ и H₂O. Длительность импульса/продувки Ta (OC₂H₅)₅ и H₂O составляла 0.5с/8с и 0.1с/5с соответственно. Верхний электрод из тантала толщиной 100 нм наносили через теневую маску с диаметром отверстий 100 мкм методом магнетронного напыления. На верхний электрод Ta напыляли слой Pt толщиной 30 нм для предотвращения окисления. Электрические свойства МИМ-структур исследованы с помощью анализатора параметров полупроводников Agilent B1500A с использованием двух его модулей: измерения ВАХ проводили с использованием источника/измерителя B1511A, а для импульсных измерений был применен модуль генератора сигналов и быстродействующего измерителя B1530A (WGFMU). Во всех измерениях напряжение подавали на верхний электрод, а нижний электрод был заземлен. Измерения проводили при комнатной температуре.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показаны ВАХ структур TiN/Ta₂O₅/Ta при различных включающих (Vset) и выключающих (Vreset) напряжениях. Прежде всего отметим значительную асимметрию данных элементов для состояния с низким сопротивлением (LRS, развертка 2 на рис. 1а) на положительной и отрицательной (развертка 3 на рис. 1а) ветвях напряжений. Так,  отношение токов  при +0.5 В  и  при –0.5 В составляет величину ~ 0.75 × 10⁴ при Vset = = –3 В, что позволяет говорить о выпрямительной ВАХ данных элементов памяти. Подобный характер резистивного переключения обусловлен различными энергетическими барьерами для границ TiN/Ta₂O₅ и Ta₂O₅/Ta – 1 и 0.7 эВ соответственно, а также наличием ловушек в дефектном слое TaO_x на границе Ta₂O₅/Ta, возникающим благодаря экстрагирующим свойствам тантала [36–38]. При инжекции электронов из тантала (развертки 1 и 2 на рис. 1а) токоперенос определяется пространственным зарядом, при этом наблюдаемый гистерезис ВАХ может быть вызван влиянием ловушек на токоперенос [39]. В частности, при увеличении отрицательного напряжения происходит заполнение ловушек (0 В…–3 В, развертка 1 на рис. 1), а при уменьшении отрицательного напряжения (–3 В…0, развертка 2 на рис. 1) имеет место частичное опустошение ловушек [36, 39]. В случае положительного напряжения (развертки 3, 4 на рис. 1) транспорт заряда определяется границей TiN/Ta₂O₅, на которой при малых напряжениях (до +1 В) реализуются механизмы эмиссии Шоттки, а при высоком напряжении (более +2 В) – туннелирования Фаулера–Нордгейма [36].

Рис. 1.

ВАХ структуры TiN/Ta₂O₅/Ta при различных включающих (Vset) (а) и выключающих (Vreset) (б) напряжениях. Порядок подачи напряжения указан цифрами.

Структуры демонстрируют возможность достижения различных уровней тока за счет управления Vset (рис. 1а) и Vreset (рис. 1б). Самое высокое значение LRS ~ 0.6 ГОм (измерено при напряжении –0.5 В) наблюдается при отрицательном напряжении Vset = –1 В, и может быть уменьшено за счет более высоких отрицательных напряжений Vset = –1.5/–2/–3В до 47, 2 МОм и 146 кОм соответственно (рис. 1а). Управление высокоомным сопротивлением (HRS, развертка 1 на рис. 1б) может быть реализовано за счет подачи различных положительных напряжений Vreset. HRS имеют значения, равные 1 ГОм, 536, 136 и 18 МОм при Vreset = +3/+2/+1.5/+1 В соответственно.

Отметим, что помимо варьирования Vset LRS также может быть изменено за счет длительности удержания шага квазистатической развертки (рис. 2). При шаге 10 мс значение LRS составило 490 МОм, а более длительный шаг развертки (100 мс) приводит к меньшему значению LRS, равному ~2 МОм. Такие результаты могут быть связаны с разной динамикой заполнения и освобождения ловушек на границе Ta₂O₅/Ta [36] при различном времени воздействия и амплитуде переключающих напряжений, что позволяет управлять значениями уровней тока в LRS и HRS и тем самым получать многоуровневый токовый отклик. С другой стороны, такой механизм переключения влечет за собой энергозависимость состояний сопротивления – ранее было показано, что с течением времени различные уровни LRS деградируют до HRS [36].

Рис. 2.

ВАХ структуры TiN/Ta₂O₅/Ta при различной длительности шага квазистатической развертки. Порядок подачи напряжения указан цифрами.

Продемонстрированный многоуровневый токовый отклик является важной характеристикой элементов нейроморфных вычислительных систем [40], при этом асимметрия в ВАХ сохраняется, что важно для интеграции структур TiN/Ta₂O₅/Ta в кроссбар-массивы больших объемов.

Многоуровневый токовый отклик можно наблюдать и при импульсных измерениях. Так, был проанализирован отклик устройств на единичные импульсы Vset и Vreset с фронтами 5 мс и длительностью 20 мс. Изменения тока при однократных выключающих (Vreset) импульсах различного напряжения показаны на рис. 3а. Обнаружено, что ток устройства переключается со значения ~350 нА до значения ~150 нА во время импульса +3 В и от 40 до 15 нА при импульсе +2.5 В. Изменение тока для напряжений меньше +2 В близко к пределу чувствительности измерителя и не превосходит детектируемых на фронтах импульса емкостных токов. При подаче отрицательных импульсов Vset емкостные токи также превосходят ток утечки при |Vset| < |–1.5В|, однако за время подачи импульса Vset = –2В наблюдается рост тока утечки с ~70 нА до ~180 нА (рис. 3б). Дальнейшее увеличение Vset приводит к значительному повышению тока утечки в конце переключающего импульса до 6 мкА для –2.5 В и 55 мкА для –3 В (рис. 3в). Более высокий ток до и после подачи напряжения –3 В (рис. 3в) обусловлен необходимостью использования иного диапазона измерений, чувствительность которого не превышает 5 мкА. Плавное увеличение проводимости структуры за время удержания единичного импульса дополнительно подтверждает, что транспорт тока в структуре определяется пространственным зарядом [36], так как для данного механизма имеют место временные зависимости [41].

Рис. 3.

Токовый отклик устройств на единичные импульсы Vreset (а) и Vset (б, в) длительностью 20 мс и фронтом 5 мс.

Зависимость проводимости структуры от частоты переключающих импульсов является ключевой при демонстрации эффекта кратковременной памяти [42]. Чтобы оценить влияние частоты подачи сигнала на динамику переключения, были использованы различные интервалы t_инт между включающими  импульсами  Vset  амплитудой –1.5 В и длительностью 20 мс (рис. 4). На рис. 4а представлен токовый отклик структуры TiN/Ta₂O₅/Ta на пять последовательных включающих импульсов с интервалом 10 мс. Видно, что ток увеличивается с 12 нА в конце первого импульса до 24 нА в конце пятого импульса (заполненные точки на рис. 4а). После десяти последовательных импульсов разница между токами в первом и последнем импульсе составила 30 нА (рис. 4б). С увеличением интервала между импульсами t_инт разница токового отклика между первым и десятым импульсом уменьшается, достигая 10 нА при интервале 200 мс, что свидетельствует о возможноси реализации синаптического обучения [43] и кратковременной памяти [44, 45] в структурах TiN/Ta₂O₅/Ta.

Рис. 4.

Токовый отклик структуры TiN/Ta₂O₅/Ta на серию из пяти включающих импульсов амплитудой –1.5 В (длительностью 20 мс и фронтом 5 мс) с интервалом 10 мс (а) и динамика изменения токового отклика для 10 импульсов в зависимости от интервала между включающими импульсами (б).

Как отмечалось ранее, важной характеристикой мемристоров для резервуарных вычислений является их энергозависимость [20, 23, 26]. Для анализа изменения проводимости устройства в зависимости от времени хранения была использована схема измерения состояния структуры с читающим напряжением Vtest (рис. 5). На структуру подавалась серия из десяти последовательных импульсов Vset амплитудой –5 В длительностью 10 мс. Токовый отклик устройства измерялся до подачи включающих импульсов (круглая точка), между (квадратные заполненные точки) и после (квадратные пустые точки) читающим напряжением Vtest амплитудой –1 В и длительностью 20 мс. Интервал между подачей импульсов составил 10 мс. Из рис. 5 видно, что уровень тока увеличивается с ~0.3 до 35 нА за время подачи включающих импульсов (квадратные заполненные точки) и убывает до 10 нА без воздействия Vset (квадратные пустые точки), что свидетельствует об энергозависимом поведении структуры TiN/Ta₂O₅/Ta [45, 46] и может быть объяснено опустошением заполненных ловушек при отсутствии Vset [36].

Рис. 5.

Увеличение и спад проводимости структуры TiN/Ta₂O₅/Ta. Токовый отклик устройства измерялся до подачи включающих импульсов амплитудой –5 В и длительностью 10 мс (кружок), между (заполненный квадрат) и после (пустой квадрат) включающих импульсов тестовым напряжением Vtest –1 В длительностью 20 мс. Интервал между подачей импульсов составил 10 мс.

Еще одним важным свойством искусственного синапса являются потенциация (Potentiation) и ослабление (Depression) [40], которое исследуется путем поочередной подачи серии включающих и выключающих напряжений. На устройство были поданы три серии, состоящие из десяти импульсов записи и двенадцати импульсов стирания (рис. 6). Амплитуда равнялась –5 В для Vset и +2 В для Vreset, длительностью 10 мс каждый. Состояние устройства контролировалось импульсом чтения (–1 В, 20 мс) после каждого импульса записи/стирания аналогично исследованию на энергозависимость (рис. 5). Из рис. 6 видно, что устройство обладает плавным (аналоговым) изменением тока на включающие и выключающие импульсы, однако за периоды подачи выключающих импульсов Vreset структура не полностью возвращается к исходному уровню тока 0.5 нА и демонстрирует рост в конце каждой серии – 1.2, 2.5 и 4 нА. Такое поведение свидетельствует о неполном переходе структуры в состояние с высоким сопротивлением и заметной асимметрией в динамике включения и выключения, которая может быть связана с различной скоростью процесса заполнения и опустошения ловушек.

Рис. 6.

Зависимость токового отклика структуры TiN/Ta₂O₅/Ta при постепенном включении (потенциации, кружки) и выключении (ослаблении, квадратики).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показаны подходы по достижению нескольких значений сопротивления в структурах TiN/Ta₂O₅/Ta, заключающиеся в варьировании амплитуды включающих и выключающих напряжений, а также в изменении времени подачи напряжения. При этом сохраняется асимметричность ВАХ, что является важным аспектом для структурных элементов нейроморфных вычислительных систем. Импульсные измерения токового отклика демонстрируют то, что резистивное переключение в структурах TiN/Ta₂O₅/Ta имеет плавный аналоговый характер, зависит от частоты подачи переключающего сигнала и является энергозависимым, что позволяет считать данную структуру перспективной для создания кросс-бар-массивов, в которых может быть реализована нейроморфная система для резервуарных вычислений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-29-03038). Все эксперименты проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий Московского физико-технического института (Национального исследовательского университета).