Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 10, стр. 1008-1014

ВВЕДЕНИЕ

Мемристоры (резисторы с памятью) являются перспективными элементами при построении нового типа энергонезависимой памяти типа RRAM и нейроморфных вычислительных систем (НВС), поскольку обладают малым энергопотреблением при записи/считывании информации, многоуровневым характером резистивного переключения (РП) и потому способны эмулировать ключевые элементы НВС – синапсы [1–4].

Эффекты РП обычно наблюдают в мемристивных структурах металл/диэлектрик/металл (МДМ), в которых они обусловлены процессами электромиграции вакансий кислорода или катионов металлов [1–4]. В результате в диэлектрическом слое образуются (или разрушаются) нитевидные проводящие каналы (филаменты), характер формирования которых в значительной степени случаен, что является одной из основных причин деградации свойств мемристоров при циклических РП [2, 3]. В случае структур металл/нанокомпозит/металл (М/НК/М) переход в проводящее состояние определяется перколяционными цепочками, заданными пространственным положением и концентрацией наногранул металла в НК, и потому их устойчивость к РП выше [5]. В частности, ощутимых результатов удалось достичь в структурах М/Pt–SiO₂/М, в которых активный слой состоял из атомарных нанокластеров Pt, диспергированных в SiO₂ [6]. Показано, что в этом случае максимальное число РП N_max превышает 3 × 10⁷ при времени хранения резистивных состояний более шести месяцев. В наших недавних исследованиях М/НК/М-структур на основе НК (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO₃)_100 – x наблюдался эффект РП с отношением сопротивлений в высокоомном (выключенном) и низкоомном (включенном) состояниях R_off/R_on ~ 100 при некотором оптимальном значении x = x_опт ≈ 11…15 ат. % ниже порога перколяции НК [7, 10]. Эффект хорошо воспроизводился при числе циклов РП > 10⁵ и практически не зависел от типа контактов [5, 7, 8]. Кроме того, синтезированные М/НК/М-структуры обладали высокой степенью пластичности (плавным характером задания резистивного состояния в окне R_on–R_off), что позволило эмулировать важные свойства биологических синапсов [8, 9]. Недавно нами также была продемонстрирована возможность масштабирования данных мемристивных структур путем формирования массива элементов площадью 50 × 50 мкм² в топологии кроссбар с разбросом сопротивлений R_off и R_on менее 25% [10].

Однако исследований быстродействия мемристивных М/НК/М-структур на базе НК (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO₃)_100 – x в работах [5, 7–10] не проводилось. Между тем время резистивного переключения t_РП из высокоомного в низкоомное состояние и обратно является безусловно важным параметром, характеризующим, в частности, энергопотребление структур при РП. Быстродействие РП играет ключевую роль для практических применений мемристоров в качестве элементов RRAM памяти или в процессорах с архитектурой типа “вычисления в памяти” [11]. И хотя в МДМ-структурах РП связывается в основном с движением ионов, во многих типах оксидных систем достигнуты довольно малые времена РП при толщинах оксидного слоя d ~ 10…50 нм (t_РП ≈ 100 нс для SrTiO₃ [12] и TaO_x [13], 20 нс для HfO_x/AlO_x [14] и 10 нс для TiO₂ [15]). В структуре с активным слоем, состоящим из нанокластеров Pt, диспергированных в SiO₂, времена переключения достигали 100 пс при d ~ 7…10 нм [6].

Цель данной работы – исследование мемристивных свойств и кинетики РП структур М/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO₃)_100 – x/М с толщиной слоя НК d ~ 1.5 мкм, содержащего тонкую прослойку LiNbO₃.

1. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Структуры М/НК/М на базе НК (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x (LiNbO₃)_100 – x синтезированы методом ионно-лучевого распыления с использованием композитной мишени, состоящей из литой пластины Co₄₀Fe₄₀B₂₀ и 14…15 полосок сегнетоэлектрика LiNbO₃ (подробнее см. в [5, 7]). Была использована вытянутая прямоугольная мишень с неравномерным расположением полосок LiNbO₃, позволяющая в едином цикле формировать НК с различным соотношением металлической фазы в диапазоне x = 6…43 ат. %. Нанокомпозит осаждался в атмосфере аргона (P_Ar ≈ 8 × 10^–4 Торр) при комнатной температуре на ситалловые подложки.

Особенность данных структур заключалась в том, что на начальном этапе осаждение производили в режиме заданного потока кислорода при довольно высоком парциальном давлении, ${{P}_{{{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}}}}$ ≈ ≈ 2.5 × 10^–5 Торр, в течение ≈10 мин, после чего поток О₂ уменьшался. Дальнейшее осаждение осуществлялось в течение ≈120 мин при среднем давлении ${{P}_{{{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}}}}$ ≈ 1 × 10^–5 Торр (значения ${{P}_{{{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}}}}$ приведены для предельного вакуума в камере P ≈ 6 × 10^–6 Торр). В результате описанной процедуры у нижнего электрода формировалась развитая оксидная прослойка преимущественно из аморфного LiNbO₃ толщиной 15…18 нм (см. рис. 1). Толщина слоя НК в структурах составила d ≈1.6 мкм. Электродами структур служила трехслойная металлическая пленка Cr/Cu/Cr толщиной 1…2 мкм (размер верхнего электрода S = 0.5 × 0.2 мм²).

Рис. 1.

Темнопольные ПРЭМ изображения сечениия структуры М/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_100 − x/М (а) и области структуры у нижнего электрода (б).

Следует отметить, что приведенная выше формульная запись НК использовалась нами для нахождения х по данным энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (ЭРМ) [5]. В действительности, значительная часть бора при синтезе НК оказывается в изолирующей матрице, вне гранул [5, 16]. При этом определить, какая часть бора остается в гранулах, существующими методами ЭРМ невозможно. Поэтому в дальнейшем, как и в [5], будем использовать формульную запись НК, отражающую состав мишени, и обозначим ее для краткости как (CoFeB)_x(LiNbO₃)_100 – x или CoFeB–LiNbO₃.

Микроструктура образцов М/НК/М с нанометровым разрешением была изучена методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭM), просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПРЭМ) и ЭРМ. Образцы исследовали в просвечивающем растровом электронном микроскопе (TEM/STEM) TITAN 80–300 (FEI, США) с корректором сферической аберрации зонда в режимах светлого и темного поля с использованием (в последнем случае) высокоуглового темнопольного кольцевого детектора рассеянных электронов. Исследования методом ЭРМ выполнены с помощью приставки EDAX (CША). Изображения и спектры обрабатывали с использованием программного обеспечения Digital Micrograph (Gatan, США) и TIA (FEI, США). Детали приготовления образцов для структурных исследований с атомарным разрешением описаны в [16].

Исследования мемристивных свойств М/НК/М-структур, включая измерения их вольт-амперных характеристик (ВАХ), выполнялись с помощью четырехканального источника-измерителя PXIe-4140 (National Instruments) на аналитической зондовой станции PM5 (Cascade Microtech). При исследованиях ВАХ структур ток I измеряли при заземленном нижнем электроде и развертке напряжения смещения U верхнего электрода по линейному закону в последовательности от 0 → + U₀ → – U₀ → 0 В с шагом 0.1 В, амплитудой пилообразной развертки до U₀ = 15 В и периодом развертки напряжения T = 12 с. Были выполнены также эксперименты по изучению возможности изменения резистивного состояния структуры по биоподобным правилам типа STDP (Spike-Timing-Dependent Plasticity – пластичность, зависящая от времени прихода импульсов) [17] и его хранения во времени. Заданное в этом случае сопротивление измеряли при напряжении чтения U_чт = 0.1 В.

Исследования кинетики РП проводили с помощью генератора Keysight 81150A (передний фронт нарастания импульса напряжения 2.5 нс) и двухканального осциллографа Agilent MSO6052A (500 МГц, 4 GSa/s) по стандартной схеме (см., например, [12]). Верхний и нижний электроды структуры были подключены к измерительным каналам осциллографа с 50-омными входными сопротивлениями. На верхний электрод мемристора подавался относительно земли одиночный импульс напряжения, который измеряли с помощью первого канала осциллографа, а возникающий ток через мемристор при РП структуры регистрировали посредством второго его канала.

Все исследования были выполнены при комнатной температуре.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Темнопольные ПРЭМ-изображения вертикального сечения структуры M/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_{100– x}/M с оптимальным значением х_опт ≈ 15 ат. % при разных увеличениях показаны на рис. 1. Анализ данных ПРЭМ (рис. 1а) и ЭРМ показывают, что синтезированная структура соответствует многослойной композиции Cr/Cu/Cr/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_100 – x/Cr/Cu/Cr с толщинами металлических электродов Cr/Cu/Cr от 1.5 до 2 мкм и толщиной слоя НК около 1.6 мкм. Темнопольное ПРЭМ-изображение (рис. 1б) демонстрирует в увеличенном масштабе область М/НК/М-структуры у нижнего электрода. Видно, что на расстояниях ~50 нм от нижнего электрода структуры формируется слой НК с однородным распределением гранул, размеры которых составляют около 3 нм. Между тем у нижнего электрода слой НК сильно неоднороден. В процессе роста НК вначале возникает оксидная прослойка толщиной ≈15…18 нм, в которой гранулы практически отсутствуют; затем формируется прослойка НК с крупными гранулами размером до 7 нм, переходящая в однородный слой НК c 3 нм гранулами на расстояниях от электрода, превышающих ~50 нм. Анализ ЭРМ данных показывает, что оксидная прослойка состоит преимущественно из аморфного LiNbO₃.

Особенностью М/НК/М-структур является сильная зависимость формы и гистерезиса их ВАХ от состава НК, т.е. величины x [7]. ВАХ структур со встроенной прослойкой LiNbO₃ были изучены в режиме ограничения по току на уровне 50 мА. Оказалось, что, как и в [7], гистерезис в ВАХ, характерный для эффекта РП, наиболее сильно наблюдается при некотором оптимальном значении x ≈ 15 ат. % (рис. 2а). При этом достигается отношение R_off/R_on ≈ 300 при U_чт = 0.1 В. При значениях x, больших порога перколяции (для данных структур x_p ≈ 17 ат. % ), петля гистерезиса исчезает и ВАХ становится линейной, как для металлических систем [7], а при x < x_p петля оказывается сильно вытянутой, что свидетельствует о слабом эффекте РП (рис. 2б).

Рис. 2.

ВАХ структуры M/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_{100 –x}/M c содержанием ферромагнитного сплава x ≈ 15 (а) и 10 ат. % (б).

Важную роль для применений мемристивных структур, в частности при создании нейроморфных систем, играет их пластичность, т.е. способность под действием напряжения принимать произвольное резистивное состояние в окне (R_on – R_off) и хранить его во времени [1–4]. Это важное свойство позволяет эмулировать синапсы (контакты между нейронами) в биологических нейронных системах, в которых обучение происходит благодаря способности синапсов изменять свой вес, т.е. за счет их пластичности [1–4, 18].

В созданных структурах М/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_100–x/М с прослойкой LiNbO₃ при x ≈ 15 ат. % удается с использованием метода [19] задать не менее четырех различных резистивных состояния с точностью лучше 1%, которые сохраняются на протяжении времени, превышающем 10⁴ с (рис. 3). Пластичность и высокая временная стабильность образцов позволили продемонстрировать возможность изменения их резистивного состояния по биоподобным правилам типа STDP. Согласно STDP синаптический вес увеличивается в случае, если постсинаптический нейрон генерирует импульс (спайк) сразу после пресинаптического, указывая на наличие причинно-следственной связи; в обратном случае вес падает (см. [17] и ссылки там). Проводимость G мемристора можно связать с синаптическим весом W, тогда изменение проводимости ΔG будет эквивалентно изменению W.

Рис. 3.

Зависимость электрического сопротивления R от времени для структуры М/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_{100 – x}/М с содержанием ферромагнитного сплава x ≈ 15 ат. % в различных резистивных состояниях (Ом): 1 – 2.9 × 10⁵, 2 – 1.7 × 10⁴, 3 – 3.4 × 10³, 4 – 3.3 × 10². Напряжение чтения U_чт = 0.1 В. На вставках: справа – окно STDP для данных структур при амплитуде импульсов (спайков) 3 В и их длительности 60 мс; слева – иллюстрация импульсов, использованных в эксперименте для получения окна STDP.

Для проверки возможности изменения проводимости НК мемристоров по правилам STDP нижний электрод М/НК/М-структуры был использован как пресинаптический вход, а верхний – как постсинаптический. Длительность спайков составляла 60 мс, а величина их амплитуды была выбрана равной 3 В, при которой одиночный спайк не приводит к изменению резистивного состояния структуры. Однако если два спайка с малой задержкой между ними по времени Δt будут поданы на мемристор (см. вставку к рис. 3), падение напряжения на нем может оказаться достаточным для изменения его резистивного состояния. Для получения окна STDP (зависимость изменения веса синапса от ∆t) измеряли проводимость мемристора до (G₁) и после (G₂) подачи последовательности пре- и постсинаптических спайков. Зависимость изменения проводимости ∆G = G₂ − G₁ от Δt показана на вставке к рис. 3. Из рисунка видно, что при Δt > 0 наблюдается синаптическая потенциация (ΔG > 0), а при Δt < 0, наоборот, – депрессия (ΔG < 0). Подобный вид зависимости W(Δt) наблюдается и в биологических системах [20].

Неожиданной оказалась кинетика РП при переходе мемристивной М/НК/М-структуры из высоко- в низкоомное состояние после подачи на ее импульса напряжения амплитудой 6 В, которое заведомо превышает напряжение РП для выбранной структуры (≈5 В; см. рис. 2). На рис. 4 показаны импульс напряжения, подаваемый на верхний электрод структуры (кривая 1), и переходной ток (кривая 2), возникающий в цепи и регистрируемый на нагрузочном 50-омном входном сопротивлении осциллографа. Обращает на себе внимание довольно значительная задержка t_з в РП после подачи импульса (t_з ≈ 70 мкс) и резкое переключение структуры в низкомное состояние, достигающее t_РП ≈ 5 нс (см. вставку к рис. 4). Несложно оценить, что затраты энергии на РП структуры на стадии резкого уменьшения сопротивления довольно малы (<1 нДж) при токах переключения ~10 мА и площади структур S = 0.5 × 0.2 мм². Однако при площади структур 50 × 50 мкм² токи переключения снижаются до ≤0.1 мА [10]. Поэтому можно ожидать, что и энергопотребление снизится до ~1 пДж, т.е. будет удовлетворять современным требованиям к мемристивным структурам для их применений в НВС (см. [21, табл. 1 ]).

Рис. 4.

Кинетика резистивного переключения структуры M/(CoFeB)_x(LiNbO₃)_{100 –x}/M с х ≈ 15 ат. % из высокоомного состояния в низкоомное: 1 – импульс напряжения от генератора, подаваемый на верхний электрод структуры; 2 – напряжение, регистрируемое на нагрузочном 50-Омном входном сопротивлении осциллографа. На вставке показана область РП в увеличенном масштабе (отмечена штриховой линией).

Задержки при РП в низкоомное состояние наблюдали в структурах на основе пленок TaO_x толщиной 5 нм, типичное время которых t_з не превышало 1 мкс при t_РП ≈ 20 нс, что объяснялось движением вакансий, формирующих проводящие филаменты [13]. В М/НК/М-структурах толщина прослойки LiNbO₃ (15…18 нм; см. рис. 1) всего лишь в три раза превышает толщину пленок TaO_x. При этом t_з в нашем случае почти на два порядка выше, а t_РП в четыре раза меньше, чем в [13]. По-видимому, это связано с двухступенчатым характером РП в М/НК/М-структурах, предсказанным в [5], а именно:

1) с формированием изолированных цепочек из наногранул и аномально сильным уменьшением их сопротивления в полях E >10⁴ В/см, вследствие подавления эффектов кулоновской блокады и генерации кислородных вакансий;

2) с инжекцией (или экстракцией) вакансий (в зависимости от знака напряжения) в сильно окисленную прослойку НК у электрода структуры, контролирующую ее сопротивление.

Первый процесс определяется всей толщиной НК пленки и может быть длительным, целиком контролируя задержку между поданным на М/НК/М-структуру импульсом напряжения и ее РП в низкоомное состояние. Изучение возможности контроля этого процесса и детализация его механизма требуют дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в работе изучено РП мемристивных М/НК/М-структур на базе НК (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x (LiNbO₃)_{100 –x} (х = 8…20 ат. %), синтезированных методом ионно-лучевого распыления при повышенном содержании кислорода (≈2 × 10⁻⁵ Торр) на начальном этапе роста НК. Методами ПРЭМ установлено, что полученный НК состоит из трех областей: тонкая аморфная прослойка LiNbO₃ (15…18 нм) у нижнего электрода, далее слой НК с крупными гранулами CoFe размером до 7 нм, переходящий на расстоянии 50 нм от нижнего электрода в однородный слой НК c 3 нм гранулами. Структуры демонстрируют стабильные РП с отношением сопротивлений R_off/R_on > 300, обладают возможностью задания промежуточных состояний в данном окне и способностью изменять сопротивление по биоподобным правилам типа STDP. Показано, что время хранения резистивных состояний превышает 10⁴ с. Обнаружена необычная кинетика РП структур при их переходе из высоко- в низкоомное состояние, а именно: РП возникает с большой задержкой ~70 мкс, при этом время переключения достигает ~5 нс. В этих условиях затраты энергии на РП структуры составляют около 1 нДж при площади структур S = 0.5 × 0.2 мм² и токах переключения ~10 мА, которые, однако, могут быть понижены до ≤0.1 мА при площади структур 50 × 50 мкм². Поэтому можно ожидать, что энергопотребление снизится до ~1 пДж и будет удовлетворять современным требованиям к мемристивным структурам для их применений в НВС.