СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИНАПТИЧЕСКОГО МЕМРИСТОРА НА ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТА МЕТАЛЛ-НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ ОКСИД Российский патент 2018 года по МПК H01L45/00 B82B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, который обладает адаптивными (нейроморфными) свойствами.

Уровень техники

Возможность получения мемристоров с высокими показателями устойчивости к деградации при циклических переключениях и наличием более чем двух стабильных резистивных состояний является важной задачей для создания многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) и элементов, моделирующих действие синапса, при построении био-подобных процессорных устройств.

Попытки создать такие устройства только на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник через уменьшение размеров элементов и использование параллелизма в процессах обработки информации не дают желаемого результата. В частности, из-за сложности реализации синаптической пластичности (изменяемой эффективности передачи сигнала между нейронами) и достаточно высоком при этом энергопотреблении.

Для моделирования синапса необходимы объекты, обладающие мемристивными (запоминающими) свойствами, которые заключаются в изменении электрического сопротивления структуры (ее резистивном переключении) под действием электрического поля и протекшего заряда и хранении возникающего резистивного состояния после снятия внешнего полевого воздействия.

Известны мемристивные металл-оксид-металл структуры анионного типа, на основе оксидов (ТiO₂ или LiNbO₃), с высокими значениями диэлектрической проницаемости, которые могут быть использованы для моделирования синапсов при создании нейроморфных вычислительных систем. Недостатком их практического применения является низкая устойчивость к деградации при резистивном переключении N_max<5⋅10³. Причиной деградации мемристивных свойств структур металл-оксид-металл является случайный («филаментный») характер перехода в проводящее состояние, изменяющийся со временем.

Основными механизмами резистивного переключения вышеназванной структуры являются образование проводящих нитевидных каналов (conductive filament) при электромиграции кислородных вакансий в оксидной прослойке, а также изменение величины барьера Шоттки на границе металл-оксид (Ielmini D. Resistive switching memories based on metal oxides: mechanisms, reliability and scaling // Semicond. Sci. Technol. - 2016. - V. 31. - P. 063002). В данном типе структур (в частности, в синаптических мемристорах Pt/Al₂O₃/TiO_2-x/Ti/Pt (Prezioso М., Merrikh-Bayat F., Hoskins B.D., Adam G.C., Likharev К. K., and Strukov D.B. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors // Nature. - 2015. - V. 521. - P. 61.) возможно плавное изменение сопротивления, причем по правилам, используемым в биологических нейронных сетях, в частности, по так называемому правилу «STDP» (spike-timing-dependent-plasticity -пластичность, зависящая от времени прихода импульса) (М. Prezioso, F. Merrikh Bayat, В. Hoskins, К. Likharev, and D. Strukov. Self-Adaptive Spike-Time- Dependent Plasticity of Metal- Oxide Memristors. Sci. Rep.V.6, 21331; doi: 10.1038/srep21331 (2016)). Мемристивные структуры Pt/Al₂O₃/TiO_2-x/Ti/Pt созданы с использованием метода атомно-слоевого осаждения (ALD) при относительно низких температурах роста (<300°С). Структуры имеют нанометровые толщины оксидных слоев (d=4 нм для Аl₂O₃ и d=30 нм для ТiO_2-х) и обладают достаточно высоким отношением сопротивлений R_oƒƒ/R_on>10². Важно, что низкие температуры роста Pt/Al₂O₃/TiO₂-_x/Ti/Pt структур позволили создать на их основе кросс-бары (12×12), интегрированные с Si КМОП устройством для записи/стирания и считывания информации с кросс-бар элементов.

Основным недостатком Pt/Al₂O₃/TiO_2-x/Ti/Pt структур является их низкая устойчивость к деградации (endurance) при циклических переключениях. Максимальное число циклов переключения N_max из высокоомного состояния в низкоомное и обратно составляет около 5⋅10³ раз. Кроме того, данные структуры требуют использования достаточно дорогостоящего ALD метода для их синтеза.

Известны мемристивные Au/BiFeO₃/Pt/Ti структуры (d=600 нм для BiFeO₃), созданные относительно недорогим методом импульсного лазерного осаждения (PLD), которые используют эффект модуляции высоты барьера Шоттки на границе BiFeO₃/Pt при электромиграции ионов (You Т., Du N., Slesazeck S., Mikolajick Т., Li G., Burger D., Skorupa I., Stocker H., Abendroth В., Beyer A., Volz K., Schmidt O.G., and Schmidt H. Bipolar Electric-Field Enhanced Trapping and Detrapping of Mobile Donors in BiFe03 Memristors // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2014. - V. 6. - P. 19758-19765). Эти структуры также обладают отношением сопротивлений R_oƒƒ/R_on ~ 10², однако все еще недостаточно высоким значением циклов переключения N_max ≈ 3⋅10⁴. Кроме того, отсутствуют сведения о пластичности структур, т.е. возможности задания произвольного резистивного состояния структур в диапазоне между R_on и R_oƒƒ, а также их использования для моделирования синапсов.

Довольно большие значения циклов переключения N_max ≈ 1,7⋅10⁵ достигнуты для многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом на основе слоев НfO₂, выращенных ALD метом (Balatti S, Ambrogio S, Wang Z-Q, Sills S, Calderoni A, Ramaswamy N and Ielmini D Voltage-controlled cycling endurance of HfOx-based resistive-switching memory (RRAM) // IEEE Trans. Electron Devices -2015. - V.62. - P. 3365). В структурах на основе НfO₂ удается получить набор промежуточных резистивных состояний (Brivio S., Covi Е., Serb А., Prodromakis Т., Fanciulli М., Spiga S. Experimental study of gradual/abrupt dynamics of Hf02-based memristive devices // Appl. Phys. Lett. -2016. -V.109. -P. 133504), однако, в этом случае отношение электрических сопротивлений в наиболее высокоомном и низкоомном состояниях невелико R_oƒƒ/R_on ≈ 6.

Недавно продемонстрирована возможность использования мемристивных структур Ti/Pt/LiNbO_3-y/LiNbO₃/Ti/Pt, полученных методом импульсного лазерного осаждения (PLD), в качестве синапсов в нейроморфных вычислительных системах (С.Yakopcic, S. Wang, W. Wang, E. Shin, J. Boeckl, G. Subramanyam, T.M. Taha. Filament formation in lithium niobate memristors supports neuromorphic programming capability // Neural Comput. & Applic. - 2017. DOI: 10.1007/s00521-017-2958-z). Данные структуры обладают довольно большим отношением сопротивлений R_oƒƒ/R_on ≈ 30, однако имеют низкую устойчивость к резистивному переключению.

Известен «Способ формирования мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me и структура мемристора на основе твердотельного сплава Si:Me» (Патент RU 2540237), который отличается отсутствием «формовки» при первоначальном переключении структуры в состояния с малым сопротивлением. Мемристор на основе металл-изолятор-металл структуры состоит из слоя изолятора из твердотельного сплава Si:Me, который формируют с заранее заданным профилем концентрации металла Me по толщине (по направлению от нижнего электрода к верхнему электроду в пределах 1-25%). Мемристор может иметь до 5 различных сопротивлений.

Недостатком данного способа является то, что получаемый мемристор не обладает устойчивостью к деградации при циклических переключениях, что делает его непригодным для построения био-подобных процессорных устройств.

Известно изобретение «Нанометаллический резистентный переключатель элементов» (Патент US 2012001146), в котором описано устройство энергонезависимой памяти, содержащее нижний электрод, сформированный из металла, и элемент с резистивным переключением, нанесенный поверх данного электрода. Элемент с резистивным переключением представляет собой оксид вольфрама WO_3-x. Устройство включает в себя верхний электрод из благородного металла. Сопротивление данного устройства может изменяться при подаче возрастающего напряжения и, таким образом, возможно сохранение информации.

Недостатком данного изобретения является то, что оно не демонстрирует устойчивости к деградации при циклических переключениях, что непригодно для построения био-подобных процессорных устройств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является мемристор, сформированный на основе смешанного оксида металлов (Патент RU 2524415). Данное устройство состоит из активного слоя, расположенного между двумя токопроводящими слоями, находящегося с ними в электрическом контакте. Активный слой обладает свойством резистивного переключения и представляет собой двухслойную оксидную структуру НfА1_хО_у/НfO₂. Слой HfAl_xO_y имеет высокую растворимость и высокую равновесную концентрацию кислородных вакансий, а НfO₂ является слоем с низкой растворимостью вакансий.

Токопроводящие слои выполнены из нитрида титана или нитрида вольфрама. На границе раздела HfO₂/TiN наносится сверхтонкий слой оксида рутения толщиной не менее 0,5 нм. При нанесении слоев использовались: метод импульсного лазерного осаждения и метод магнетронного распыления. Получаемый при реализации данного способа мемристор демонстрирует стабильность режимов переключения сопротивления в низко- и высокоомное состояния (не менее 100 раз).

Основным существенным недостатком полученного мемристора является то, что он демонстрирует только два различных резистивных состояния (низко- и высокомное), что пригодно только для построения цифровых схем. В то время как для построения био-подобных процессорных устройств и аналоговых элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом критически важной является возможность реализации синаптической пластичности мемристоров, т.е. наличие у них более двух стабильных резистивных состояния.

Поэтому, возможность получения мемристоров с высокими показателями устойчивости к деградации при циклических переключениях (N_max>10⁵) и наличием более чем двух стабильных резистивных состояний является важной задачей.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом предложенного изобретения является создание мемристивных структур Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr, способных моделировать свойства биологических синапсов и одновременно обладающих повышенной устойчивостью к циклическим резистивным переключениям.

Для достижения технического результата предложен способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл- нестехиометрический оксид, заключающийся в последовательном осаждении слоев на подложку, при этом, методом ионно-лучевого распыления последовательно осаждают на ситалловые подложки слой Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом, слой нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид и слой Cr/Cu/Cr, являющийся верхним электродом.

Кроме того, в нанокомпозите металл-нестехиометрический оксид в качестве оксида используют сегнетоэлектрик LiNbO₃, а в качестве металла -аморфный сплав Co₄₀Fe₄₀B₂₀.

Также, осаждение нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции хр=15 ат.% проводят с недостатком кислорода.

У поверхности нижнего электрода формируют высокоомную прослойку толщиной 0,05-0,1 мкм путем добавления на начальном этапе осаждения слоя нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением Р_O2=(1-3) 10-5 Торр в течение 5-10 мин., после чего проводят осаждение слоев с недостатком кислорода.

Также, осаждают слои на подложки, имеющие комнатную температуру.

Установлено, что в случае замены активного оксидного слоя в структуре металл/оксид/металл на нанокомпозит типа металл-нестехиометрический оксид, переход в проводящее состояние при х<х_р определяется перколяционными цепочками, заданными пространственным положением и концентрацией наногранул металла, что обеспечивает высокую стабильность резистивных переключений.

Метод ионно-лучевого распыления составных мишеней нанокомпозита относительно недорогой, хорошо апробирован, и позволяет получать нанокомпозиты контролируемого состава, в том числе с изменяющимися распределением металлической и диэлектрической компоненты (С.А. Гриднев, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней, Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний (2012), 352 с).

Для создания нестехиометрической оксидной матрицы с высоким содержанием вакансий кислорода в качестве металла используется аморфный сплав Co₄₀Fe₄₀B₂₀. Атомы бора имеют малый размер и высокую диффузионную подвижность. При этом невысокое значение энтальпии образования простейшего оксида ВО равно Е_е ≈ +0,04 эВ/молекулу (для сравнения в случае TiO и NbO Е_е ≈ +0,5 и+1,9 эВ/молекулу), соответственно позволяют атомам бора связывать кислород, что способствует формированию нестехиометрической оксидной матрицы со значительным избытком кислородных вакансий.

Для задания определенной полярности переключающего напряжения из высокоомного R_oƒƒ в низкоомное R_on состояние, увеличения отношения электрических сопротивлений R_oƒƒ/R_on, а также времени хранения резистивных состояний у нижнего электрода создается высокоомная прослойка путем добавления на начальном процессе роста нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением Р_O2 ≈ (1-3)-10^-5 Торр в течение ≈ 5-10 мин.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими рисунками:

На фиг. 1 схематично показан реализуемый способ создания структур Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO₃._y)_100-x/Cr/Cu/Cr,где:

1- зонды;

2- гранулированный нанокомпозит (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x;

3- верхний электрод Cr/Cu/Cr;

4- нижний электрод Cr/Cu/Cr;

5- ситалловая подложка.

На фиг. 2 показана вольт-амперная характеристика мемристорных структур Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x с содержанием аморфного сплава х ≈ 13 и 16 ат.%, полученных при добавлении на начальном этапе роста нанокомпозита кислорода (Р_O2 ≈ 2⋅10^-5 Торр). Толщина слоя НК d ≈ 3 мкм.

На фиг. 3 показаны временные зависимости сопротивления мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x (х ≈ 13 ат.%) в различных резистивных состояниях, полученных путем подачи импульсов различной полярности и амплитуды, где:

1 - запись импульсом +5 В длительностью 10 с, затем чтение при 0,1 В с частотой ƒ =1/20 с^-1;

2 - стирание импульсом -5 В длительностью 10 с, далее чтение при 0,1 В с ƒ =1/20 с^-1;

3 - стирание импульсом -7 В длительностью 10 с, далее запись 10 импульсами напряжения +3 В длительностью 0,2 с, затем чтение при 0,1 В с ƒ=1/20 с^-1.

На фиг. 4 показана форма импульса напряжения (спайка) на пре- и постсинаптических нейронах.

На фиг. 5 показана зависимость относительного изменения проводимости ΔG мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNb_3-y)_100-x (х ≈ 13 ат.%) при разных значениях проводимости (G_i=1, 2 и 5 (кОм)^-1) по правилу «STDP» от времени задержки Δt между спайками для различных начальных состояний мемристора.

На фиг. 6 показана зависимость электрического сопротивления мемристивной структуры Сr/Сu/Сr/нанокомпозит/Cr/Cu/Cr на основе нанокомпозита (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x (х ≈ 13 ат.%) от числа циклов записи/стирания. Процедура измерений: запись +5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс), стирание -5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс).

Осуществление изобретения

Структуры Cr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr (фиг. 1) получены методом ионно-лучевого распыления составной мишени, представлявшей собой металлическое основание из сплава Co₄₁Fe₃₉B₂₀ размером 280×80×15 мм³ с закрепленной на ее поверхности 14 пластинами оксида LiNbO₃ шириной 10 мм, которые располагались на основании неравномерно.

Последовательность осаждения слоев была следующей:

Слой 1 Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом 4 толщиной d ≈ 1 мкм наносился на ситалловые подложки 5, имеющие комнатную температуру размером 60×48×0,6 мм³.

Слой 2 (нанокомпозит 2 (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x наносился на слой 1 в атмосфере аргона (Р_Ar ≈ 8-10^-4 Торр) через металлическую маску, с периодически расположенными отверстиями диаметром ≈ 5 мм. Слой 2 нанокомпозита 2 осаждался с недостатком кислорода толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции х_р ≈ 15 ат.%.

Осаждение нанокомпозита 2 (Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x осуществлялось одновременно на четыре ситалловые подложки 5 (с ранее нанесенным слоем 1), которые располагались соосно относительно мишени на расстоянии от нее 200 мм в виде полоски. Неравномерное расположение на поверхности пластины Co₄₁Fe₃₉B₂₀ навесок из LiNbO₃ позволило в едином цикле формировать нанокомпозиты с различным соотношением металлической фазы по длине ситалловой подложки 5 в диапазоне х=5 - 48 ат.%. Элементный состав нанокомпозита определялся с помощью энергодисперсионной рентгеновской приставки Oxford INCA Energy 250 на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 LV. Точность определения состава образцов определялась их размером и дискретностью расположения на ситалловых подложках 5 и составляла δх ≈ ±1 ат.%.

Слой 2 нанокомпозита 2 (Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x на начальном этапе роста может наноситься с добавлением кислорода с парциальным давлением Р_O2 ≈ (1-3)⋅10^-5 Торр в течение ≈5-10 мин. Скорость осаждения нанокомпозита 2 составляла около 0,25 нм/с, а толщина - d ≈ 3 мкм. При этом, у нижнего электрода 4 создается высокоомная прослойка толщиной d ≈ 0,05-0,1 мкм.

Слой 3 Cr/Cu/Cr, служащий верхним электродом 3 толщиной d ≈ 1 мкм наносился на слой 2 через металлическую маску с размером отверстий 0,5×0,2 мм².

Исследования мемристивных свойств структур

Cr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr были выполнены при комнатной температуре с помощью многофункционального источника-измерителя NI PXI-4130 (National Instruments) и аналитической зондовой станции РМ5 (Cascade Microtech), снабженной специализированной системой PSM-100 (Motic) с оптическим микроскопом, позволяющей осуществлять микрометрическое перемещение зондов 1.

Вольт-амперные характеристики Сr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Сr/Сu/Сr структуры измеряли при заземленном нижнем электроде 4 и развертке напряжения смещения U верхнего электрода по линейному закону в последовательности от 0 → +5 →-5 → 0 В с шагом 0,1 В. Период пилообразной развертки напряжения Т=12 с.

Эксперименты по изучению возможности подбора произвольного резистивного состояния (plasticity) структуры Cr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-у)_100-x/Сr/Сu/Сr и его хранения во времени (retention time) были выполнены двумя способами:

1) путем подачи импульсов различной полярности и амплитуды;

2) по правилу STDP, включающем воздействия на структуру двух последовательных импульсов напряжения одинаковой формы, имитирующих спайки от нейронов.

Результирующий разностный импульс напряжения от спайков определялся программным образом и подавался на Cr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr структуру, после чего измерялось ее сопротивление при напряжении чтения U_r=0,1 В.

Изучение устойчивости структуры Cr/Cu/Cr/(Co₄₁Fe₃₉B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr к деградации при циклических переключениях (endurance) проводили при последовательной подаче импульсов напряжения длительностью 100 мс: U_set →U_r → U_res →U_r, где:

U_set=⁺(5-7) В - напряжение записи (set), переводящее структуру в низкоомное состояние;

U_r=0,1 В - напряжение чтения;

U_res=-(5-7) В - напряжение стирания (reset) или возвращения структуры в исходное состояние (U_res ≈ - U_set).

Установлено, что гистерезис в вольт-амперной характеристике, характерный для эффекта резистивного переключения, наиболее сильно наблюдается при некотором оптимальном содержании аморфного сплава х=x_opt, меньшем на 2-3 ат.% порога перколяции. Данный факт иллюстрируется фиг. 2, где приведены вольт-амперные характеристики для структур Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr с содержанием аморфного сплава (х ≈ 13 и 16 ат.%) ниже и выше порога перколяции х_р ≈ 15 ат.%, полученные в режиме ограничения по току на уровне 0,1 А. Видно, что ниже порога при х ≈ 13 ат.% наблюдается достаточно сильный гистерезис в вольт-амперной характеристике, тогда как в металлическом режиме (х ≈ 16 ат.%) гистерезис отсутствует.Отметим, что в высокоомном и низкоомном состояниях структуры ее вольт-амперная характеристика является линейной вплоть до напряжений смещения U ≈ 0,4 В; отношение R_oƒƒ/R_on ≈ 32,4 и 31,5 при U=0,1 и 0,4 В, соответственно.

На фиг. 3 представлены результаты экспериментов по изучению возможности подбора произвольного резистивного состояния структуры Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-xCr/Cu/Cr и его хранения во времени (не менее 1 часа). Видно, что при воздействии на структуру импульсами напряжения амплитудой +5 В длительностью 10 с (линия 1 на фиг. 3) достигается ее переход из начального высокоомного состояния (R_h ≈ 2900 Ом) в наиболее низкоомное (R_l ≈ 300-350 Ом). Однако, после воздействия на структуру Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-xCr/Cu/Cr (линия 3 на фиг. 3) 10-ю импульсами меньшей амплитуды (+3 В длительностью 0,2 с) ее сопротивление оказывается в промежуточном состоянии R_int ≈ 1600 Ом, причем разница между начальным и промежуточным состояниями ΔR ≈ 1300 Ом сохраняется с точностью лучше 10%.

На фиг. 4 представлена форма спайков на пре- и постсинаптическом нейроне, которые использовались для проверки применимости правил STDP. Фиг. 5 демонстрирует возможность изменения резистивного состояния мемристивной структуры Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr с использованием правила STDP. Согласно данному правилу проводимость структуры ΔG должна возрастать (связь между нейронами усиливаться), если разность Δt между временем прихода на мемристор 2-х импульсов напряжения, имитирующих пре- и постсинаптический спайки биологических нейронов, отрицательна (см. фиг. 4). Наоборот, когда Δt>0 (постсинаптический спайк приходит раньше пресинаптического спайка) проводимость уменьшается (связь между нейронами ослабляется). Отметим, что выбранные нами формы импульсов-спайков часто используются для апробации правила STDP. Мы моделировали спайк двумя разнополярными импульсами треугольной формы, имеющими длительности и амплитуды, достаточные для изменения резистивных состояний в созданных мемристорных структурах: в начале напряжение U_s в спайках увеличивается от 0 до +4 В в течении 200 мс, затем инвертируется и изменяется от -2 до 0 В за время 500 мс. Результирующий импульс находился программным образом вычитанием из пре- постсинаптического спайка и подавался от источника-измерителя NI PXI-4130 на мемристорную структуру.

Достаточно высокой оказалось устойчивость Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr структур к деградации при циклических переключениях (endurance). Мы не смогли наблюдать заметные эффекты деградации при числе циклов записи/стирания, превышающем 10⁵ раз (фиг. 6), что больше чем для Si Flash памяти и не уступает элементам многоуровневых (аналоговых) элементов энергонезависимой резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) памяти на основе слоев НfO₂, у которых небольшое отношение R_oƒƒ/R_on ≈ 6.

При исследованиях устойчивости Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr структур к резистивному переключению использовалась следующая последовательность измерительных операций: запись +5 В в течение 100 мс, чтение 0,1 В (100 мс), стирание -5 В (100 мс), чтение 0,1 В (100 мс). Наибольшая стабильность и точность измерения низкоомного и высокоомного состояний во времени наблюдалась для Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr структур с Cr/Cu/Cr/ электродами 3 и 4, в которых после первых 10⁴ циклов записи/стирания уровни состояний R_oƒƒ и R_on оказываются постоянными с точностью лучше 10% при отношении R_0ƒƒ/R_on ≈ 20 (см. фиг. 6).

Таким образом, предложенный способ позволяет получать мемристивные структуры, способные моделировать свойства биологических синапсов и одновременно обладающие при циклических резистивных переключениях повышенной устойчивостью (N_max>10⁵), достаточной для их практического применения.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, который обладает адаптивными (нейроморфными) свойствами. Техническим результатом является создание мемристивных структур Cr/Cu/Cr/(Co₄₀Fe₄₀B₂₀)_x(LiNbO_3-y)_100-x/Cr/Cu/Cr с использованием нестехиометрических оксидов, способных моделировать свойства биологических синапсов и одновременно обладающих повышенной устойчивостью к циклическим резистивным переключениям. Для его достижения предложен способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, заключающийся в последовательном осаждении слоев на подложку, при этом, методом ионно-лучевого распыления последовательно осаждают на ситалловые подложки слой Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом, слой нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид и слой Cr/Cu/Cr, являющийся верхним электродом. В нанокомпозите металл-нестехиометрический оксид в качестве оксида используют сегнетоэлектрик LiNbO₃, а в качестве металла - аморфный сплав Co₄₀Fe₄₀B₂₀. Осаждение нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид проводят с недостатком кислорода толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции х_р ≈ 15 ат.% на подложки, имеющие комнатную температуру. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, заключающийся в последовательном осаждении слоев на подложку, отличающийся тем, что методом ионно-лучевого распыления последовательно осаждают на ситалловые подложки слой Cr/Cu/Cr, являющийся нижним электродом, слой нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид и слой Cr/Cu/Cr, являющийся верхним электродом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нанокомпозите металл-нестехиометрический оксид в качестве оксида используют сегнетоэлектрик LiNbO₃, а в качестве металла - аморфный сплав Co₄₀Fe₄₀B₂₀.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид толщиной 2,5-3,5 мкм и с содержанием металла на 2-4 ат.% ниже порога перколяции х_р=15 ат.% проводят с недостатком кислорода.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что у поверхности нижнего электрода формируют высокоомную прослойку толщиной ≈0,05-0,1 мкм путем добавления на начальном этапе осаждения слоя нанокомпозита избыточного кислорода с парциальным давлением P_O2=(1-3) 10^-5 Торр в течение 5-10 мин, после чего проводят осаждение слоев с недостатком кислорода.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждают слои на подложки, имеющие комнатную температуру.