Способ переключения мемристора Российский патент 2024 года по МПК H10B12/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области создания эффективных способов управления работой перспективных запоминающих устройств на основе резистивной энергонезависимой памяти, а также устройств для нейроморфных вычислений и может быть использовано для разработки оптимальных протоколов переключения резистивной мемристорной памяти и микросхем на ее основе.

Мемристоры являются ключевыми элементами в устройствах нового поколения энергонезависимой памяти - резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) [S. Lee, X. Zhu, W. Lu, Nano Research 2020, 13 1228]. Разработка надежных элементов RRAM на основе мемристоров является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем современных информационных технологий. Процессы хранения и считывания информации в мемристорах реализуются с помощью резистивного переключения (РП) мемристора из состояния с низким сопротивлением (СНС) в состояние с высоким сопротивлением (СВС) (включая переходы в промежуточные метастабильные состояния). Как правило, РП реализуется с помощью последовательности положительных и отрицательных импульсов прямоугольного, треугольного и других форм напряжения с заданной амплитудой и длительностью, которые подаются на мемристор в качестве сигнала переключения. Однако переключение детерминированными импульсами не обеспечивает воспроизводимости параметров РП и гарантированного (100%) переключения мемристора из СНС в СВС и наоборот. Разброс параметров РП имеет фундаментальное происхождение, а именно, стохастическая природа процессов, лежащих в основе явления РП [J. Lee, S. Lee, T. Noh, Applied Physics Reviews 2015, 2, 3 031303]. Нестабильность параметров РП мемристоров до сих пор остаётся нерешенной задачей, что ограничивает их широкое практическое внедрение [D. Ielmini, Semiconductor Science and Technology 2016, 31, 6 063002]. В некоторых приложениях разброс параметров РП допускается структурой схем, например, в случае с некоторыми версиями искусственных нейронных сетей, в которых запоминающие устройства реализуют синапсы. Однако, для всех других приложений, например, многоуровневой резистивной памяти и аналоговых вычислительных схем, производительность схемы напрямую зависит от того, насколько точно можно установить резистивное состояние и гарантировано выполнить РП.

На сегодняшний день, в большинстве разработанных конструкций мемристоров используется так называемый филаментарный (нитевидный) механизм РП, то есть образование и разрушение проводящих филаментов внутри функционального диэлектрика под действием электрического поля между электродами [I. Riess, Journal of Electroceramics 2017, 39 61.]. В мемристорах на основе оксидов металлов филаменты состоят из кислородных вакансий [A. Sawa, Materials Today 2008, 11, 6 28], а в CBM (conductive bridge memristor, мемристор с проводящим металлическим филаментом) мемристорах - атомов металла, инжектируемых в функциональные диэлектрики из электродов [Z. Wang, H. Wu, G. Burr, C. Hwang, K. Wang, Q. Xia, J. J. Yang, Nature Reviews Materials 2020, 5 173]. Обычно переключение мемристора из состояния СНС в состояние с СВС и обратно из СВС в СНС проходит через разрыв и восстановление филамента вблизи (на расстоянии ≈1 нм) одного из электродов мемристора. С другой стороны, толщина (диаметр) филамента может составлять всего ≈ 1нм. Можно считать, что вне зависимости от размеров самого мемристора, процессы РП происходят в малом объеме (≈1 нм²), т.е. в РП принимают участие счетное количество ионов или вакансий. Следовательно, каждый прыжок иона на соседнюю вакансию изменяет структуру филамента и, следовательно, его проводимость. В результате таких прыжков флуктуация сопротивлений мемристора как в СНС, так и в СВС могут значительно превышать соответствующие средние значения. Эти процессы оказывают существенное влияние на такие важные параметры мемристора как напряжения переключения, токи в СНС (I_снс) и СВС (I_свс), на их отношения I_снс/I_свс, а также на вероятность переключения (наличие сбоев при переключении) из СНС в СВС и обратно.

Методы в области управления работой мемристора, заключающиеся в повышении вероятности переключения мемристора из СНС в СВС и достижении заданного резистивного состояния мемристора, содержат примеры технических решений РП, направленные на устранение разброса параметров резистивного переключения. Естественным способом устранения разброса параметров при РП является использование схемы активной обратной связи, например, применение итеративных импульсов при переключении мемристора в СНС или в СВС [Fabien Alibart, Ligang Gao, Brian D Hoskins and Dmitri B Strukov - High precision tuning of state for memristive devices by adaptable variation-tolerant algorithm- Nanotechnology 23 (2012) 075201 (7pp)]. В этом техническом решении в переключении используется алгоритм обратной связи, который учитывает резистивное состояние мемристора после подачи на него очередного итеративного импульса. После чего определяется достигнуто или нет необходимое состояние памяти. Метод позволяет получать точность настройки состояния сопротивления устройства ~ 1% от динамического диапазона. Однако время переключения в этом методе существенно увеличивается, увеличивается и плотность элементов в запоминающем устройстве. Эти параметры должны быть улучшены, чтобы метод и предлагаемые схемы были практичными.

В работах [Stochastic Resonance Exploration in Current-driven ReRAM Devices. 10.1109/NANO54668.2022.9928748; Noise-induced resistive switching in a memristor based on ZrO2(Y)/Ta2O5 stack. Journal of Statistical Mechanics 2019, 2019 124026; Chaos, Solitons & Fractals 2021, 144110723; Resonant activation of resistive switching in ZrO2(Y) films. Journal of Physics: Conference Series 2021, 1851 012003] были предложены технические решения по улучшению параметров РП на основе использования шумовых переключающих сигналов. Показано, что уменьшение разброса напряжений переключения V_set и V_reset, а также увеличение отношения I_снс/I_свс раелизуется при параметрах шумового сигнала соответствующих «стохастическому резонансу». Показана возможность улучшения параметров РП при воздействии внешнего периодического сигнала. Однако эти решения оказались недостаточно эффективными для обеспечения гарантированного переключения мемристора.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является техническое решение, описанное в статье S. Lee, X. Zhu et al, Nanoscale resistive switching devices for memory, Nano Research 2020, 13 1228-1243. В ней раскрыт способ переключения мемристора из состояния СНС в СВС путем воздействия последовательности положительных и отрицательных прямоугольных импульсов напряжения.

Технический результат предлагаемого изобретения - разработка оптимального способа переключения мемристора, заключающегося в гарантированном переключении мемристора из состояния СНС в СВС с сохранением длительного и стабильного отношения токов в состоянии СНС и СВС, а также обеспечение стабильности параметров резистивного переключения (уменьшение деградации прибора во время переключений). Кроме того предлагаемое изобретение расширяет актуальный арсенал эффективных методик, обеспечивающих стабильное переключение мемристора.

Предлагаемое техническое решение переключения мемристора заключается в использовании последовательности положительных и отрицательных импульсов прямоугольного напряжения (с добавлением цифрового синтезированного шума), которые подаются на мемристор в качестве сигналов переключения. Такие переключающие импульсы с определенными для данного типа мемристоров параметрами обеспечивают надежное (без сбоев) РП. Добавление шума инициирует также переключение мемристора из СНС в СВС при заметно меньших амплитудах импульсов, чем в случае переключения прямоугольными импульсами без шума. Предлагаемое техническое решение может быть применено при разработке инновационных протоколов переключения для улучшения стабильности параметров резистивных переключения.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ переключения мемристора из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, включающий воздействие на мемристор последовательности положительных и отрицательных прямоугольных импульсов напряжения, к импульсному воздействию добавляют цифровой синтезированный белый шум c амплитудой и интенсивностью шумового сигнала.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение экспериментальной установки (a); один цикл переключения используемого протокола V(t) (b).

На фиг. 2 показана циклическая ВАХ исследуемого мемристора (a); осциллограмма тока, текущего через мемристор I(t), демонстрирующая процесс перехода из СНС в СВС и полученная при подаче на мемристор прямоугольного импульса с шумом. f₀ = 2 МГц, V_offset = 1 В, σ = 66 мВ) (b).

На фиг. 3 показаны диаграммы выносливости мемристора для различных значений V_offset , В: (а) - 1.0; (b) - 1.2; (c) - 1.4. f₀ = 2МГц, σ = 0.2 В, t_P = 10 мкс.

На фиг. 4. показана зависимость I_ON/I_OFF от V_offset. f₀ = 2МГц, σ = 0 В (серый) или 0.2 В (черный), t_P = 10 мкс (а) или 50 мкс (b).

На фиг. 5 приведена зависимость V_offset, необходимого для изменения состояния, от σ. f₀ = 2МГц, t_P = 5 мс.

На фиг. 6 показана осциллограмма I(t), демонстрирующая процессы переходов из СНС в промежуточные метастабильные состояния (в том числе RESET процесс) и полученная подачей прямоугольного импульса с шумом (а) и гистограмма распределения I_OFF (b) для различных значений V_offset. f₀ = 2МГц, σ = 0.2 В, t_P = 10 мкс.

На фиг. 7 показаны осциллограммы тока, демонстрирующие процесс переходов из СНС в промежуточные метастабильные состояния (в том числе RESET процесс) и полученная подачей прямоугольного импульса с шумом (а), и гистограммы распределения I_OFF (b) при различных значениях σ. f₀ = 2МГц, V_offset = 1.0 В, t_P = 5 мс.

Предлагаемое техническое решение было реализовано на мемристорах на основе Au(20 нм)/Ta(40нм)/ZrO₂(Y)(20 нм)/Pt(20 нм)/Ti(5 нм). Стеки металл-изолятор-металл были нанесены на стандартные подложки p-Si(001) с предварительно нанесенным слоем SiO₂ толщиной 700 нм методом магнетронного распыления с использованием вакуумной установки тонкопленочного осаждения Torr International® 2G1-1G2-EB4-TH1. Пленки ZrO₂(Y) наносились высокочастотным магнетронным распылением мишени, спрессованной из смеси порошков ZrO₂ (88% моль) и Y₂O₃ (12% моль) при температуре подложки T_g = 250°C. Металлизация наносилась магнетронным распылением постоянного тока при T_g = 200°C. Кросспоинты мемристоров с активными площадями 20х20 мкм² получались стандартным методом фотолитографии с использованием оборудования для фотолитографии Planar®.

Исследования влияния шума на РП проводились на National Instruments® USB-6341 аналого-цифровой/цифро-аналоговый (АЦП/ЦАП) модуле, работающем под управлением программного обеспечения LabVIEW™. Схематическое изображение экспериментальной установки показано на фиг.1.

Электрические контакты к контактным площадкам мемристоров обеспечивались с помощью зондовой станции Everbeing EB-6. Предварительные испытания исследованных прототипов мемристоров было выполнено с использованием анализатора параметров полупроводниковых устройств Agilent® B1500A. Ток ограничения был установлен как 300 мкА. Циклические вольт-амперные характеристики (ВАХ), снятые после формовки, представлены на фиг.2.

В эксперименте использовалась последовательность чередующихся положительных (с добавлением или без добавления цифрового синтезированного шума) и отрицательных прямоугольных импульсов напряжения подаются на мемристор в качестве протокола переключения. Схематическое представление формы сигнала одного цикла переключения показано на фиг. 3.

Значение V_offset представляет собой величину положительных прямоугольных импульсов напряжения без добавления шума или среднее значение шума, добавленного к положительным прямоугольным импульсам напряжения. Значение V_offset варьировалось от 0,6 В до 1,5 В. Этот диапазон V_offset охватывал напряжения ниже порога «плавного» («gradual») процесса переключения RESET и V_RESET. Для переключения импульсами с добавлением шума σ изменялась в пределах от 0,05 В до 0,3 В. Величина отрицательных прямоугольных импульсов напряжения была зафиксирована V_SET = -2 В. Длительность положительных и отрицательных импульсов t_P варьировалась от 10 мкс до 5 мс. В рамках одного исследования длительности положительных и отрицательных импульсов были равны друг другу. После каждого положительного и отрицательного импульсов ток через мемристор измеряли путем подачи импульсов чтения величиной V_READ = +0,4 В и длительностью t_READ = 0,1 мс. Случайный сигнал, имитирующий гауссовский «белый» шум, был синтезирован в цифровом виде следующим образом. В программном обеспечении LabVIEW® с использованием встроенного генератора псевдослучайных чисел был сгенерирован массив случайных чисел с распределением Гаусса для заданного значения σ. Для генерации импульса переключения с шумом этот массив был добавлен к последовательности прямоугольных импульсов переключения. Затем полученный протокол был отправлен на ЦАП с частотой генерации f₀, равной 2 МГц, 100кГц, 50 кГц или 10 кГц.

Синтезированный протокол переключения подавался на исследуемый мемристор, последовательно подключенный к нагрузочному сопротивлению R_n = 100 Ом в схеме на Рисунок 1. Измеряемый сигнал (пропорциональный току, протекающему через мемристор I) снимался с нагрузочного резистора и направлялся на вход АЦП модуля USB-6341 ADC/DAC. Частота дискретизации АЦП была установлена равной f₀. Перед началом каждого измерения мемристор переводился в начальное проводящее состояние (СНС). Затем отслеживался отклик мемристора на протокол переключения при вариации V_offset и при фиксированном значении σ. Осциллограмма тока через мемристор I(t) (фиг.4) демонстрирует процесс перехода от СНС к СВС, индуцированный подачей импульса с добавлением шума. При t < t_s мемристор находится в исходном состоянии (СНС); усредненное значение <I(t)> = I_ON за этот интервал времени. Время t = t_s соответствует времени завершения перехода от СНС к СВС. При t > t_s мемристор остается в СВС; <I(t)> = I_OFF.

На фиг.5 показаны диаграммы выносливости (зависимости I_ON и I_OFF от количества циклов переключений N_c) для переключения прямоугольными импульсами с добавлением шума и без добавления шума для различных значений V_offset. Максимальные значения N_c ≈ 630. Показано, что наличие шума приводит к изменению состояния сопротивления (включая процесс RESET) происходит при меньшем V_offset (фиг. 5а), а среднее значение I_OFF меньше (отношение I_ON/ I_OFF соответственно больше) (см. фиг. 5b).

На фиг. 6 показаны зависимости отношения I_ON/ I_OFF от V_offset при переключении прямоугольными импульсами с добавлением и без добавления шума для различных значений. Пороговое значение V_offset, необходимое на изменения состояния сопротивления (включая переключение с СНС на СВС), имеет значение меньшее при переключении прямоугольными импульсами с добавлением шума, чем при переключении прямоугольным импульсом без шума. Увеличение t_P также приводит к уменьшению значения напряжения, при котором происходит изменение состояния сопротивления. Например, при t_P = 50 мкс переход в менее проводящее состояние имеет место при V_offset = 0,8 В с добавлением шума и при V_offset = 1,2 В без добавления шума.

Эффект уменьшения порогового значения V_offset, необходимого на изменение состояния сопротивления, с ростом t_P можно интерпретировать с точки зрения необходимой энергии на изменение сопротивления (разрушение филамента)

, (1)

где - напряжение, приложенное к мемристору.

В уравнение 1 представим как , где - шум, и учтем закон Ома , где - сопротивление филамента:

. (2)

Если - гауссов шум, то второе слагаемое интеграла в уравнение 2 обращается в 0, поскольку распределение Гаусса симметрично относительно V=0 В. Остальные два слагаемых представляют собой вклад от непосредственно переключающей компоненты импульса и от шумовой компоненты импульса, соответственно.

Далее согласно фиг. 3 можно разделить отрезок интегрирования в уравнение 2 [0, t_P] на два - [0, t_s] и [t_s, t_P]

(3)

где и - сопротивления в СНС и СВС, соответственно. Полагая , отрезок интегрирования интеграла в уравнение 2 можно принять за [0, t_s]. Далее приняв постоянным на интервале [0, t_s], получаем:

. (4)

Стоит отметить, что в проведенном в настоящей работе эксперименте >> σ². Тем не менее, эффект от добавления шума при относительно малых σ был весьма заметен. Стоит также отметить, что в случае переключения прямоугольными импульсами с добавлением шумов спектр шума может стать важным.

Установлено, что с увеличением значения σ требуется меньшее значение V_offset для изменения сопротивления (см. фиг. 7). Увеличение параметров V_offset и σ переключающих прямоугольных импульсов с добавлением шума приводит к уменьшению I_OFF и увеличению отношение I_ON/ I_OFF соответственно. Также установлено, что шумовой сигнал с меньшей σ может перевести мемристор в промежуточное метастабильное состояние, связанное с плавным “gradual” RESET в области на циклических кривых ВАХ (фиг.2). Это объясняет и относительно большой разброс значений I_OFF, наблюдаемый после перехода мемристора в СВС при использовании шумового сигнала с относительно небольшой σ. В противоположном случае, когда σ достаточно велика, реализуется РП, минуя промежуточные резистивные состояния мемристора, в состояние с высокими значениями R_OFF. Индуцированный шумом переход мемристора в метастабильное промежуточное состояние сопротивления и, следовательно, большой разброс I_OFF также может объяснить падение I_ON/ I_OFF, наблюдаемое на фиг.6, при использовании импульса с добавлением шума.

Таким образом, продемонстрировано, что добавление гауссовского белого шума с определенными параметрами к прямоугольным импульсам переключения для инициирования переключения мемристора из СНС в СВС приводит к значительному уменьшению пороговой амплитуды прямоугольного импульса V_offset по сравнению с переключением чистыми прямоугольными импульсами без шума.

Пороговое значение V_offset для перехода из СНС в СВС уменьшается с увеличением интенсивности шума σ и длительности прямоугольного импульса t_P. При тех же значениях V_offset отношение I_ON/I_OFF больше в присутствии шума и возрастает с ростом σ. Шум при относительно малых значениях σ переводит мемристор в метастабильные промежуточные состояния сопротивления между СНС и СВС. Эти состояния связаны с областью «плавного» “gradual” RESET на ВАХ мемристора. В противоположном случае, шум при относительно больших σ переводит мемристор, не останавливаясь в промежуточных состояниях, в СВС с относительно высоким и стабильным сопротивлением.

Таким образом, может быть достигнуто надежное изменение состояния мемристора с СНС на СВС путем добавления шума с определенными параметрами к прямоугольным импульсам напряжения. Полученные результаты интерпретированы с точки зрения проявления конструктивной роли шума в мемристоре, который рассматривается как стохастическая мультистабильная система.

Влияние шума на состояния сопротивления мемристора зависит от частоты дискретизации ЦАП, используемого для имитации гауссовского шума. Эффект интерпретируется как проявление «дилемма напряжение-время»: уменьшение частоты дискретизации ЦАП (т.е. увеличение времени воздействия электрического поля на функциональный диэлектрик) приводит к более существенному изменению сопротивления накала.

Разработанное техническое решение может быть применено при разработке инновационных протоколов переключения для повышения стабильности параметров резистивного переключения.

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам управления работой запоминающих устройств на основе резистивной энергонезависимой памяти, а также устройств для нейроморфных вычислений, и может быть использовано для разработки оптимальных протоколов переключения резистивной мемристорной памяти и микросхем на ее основе. Способ переключения мемристора из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением включает воздействие на мемристор последовательности положительных и отрицательных прямоугольных импульсов напряжения, при этом к импульсному воздействию добавляют цифровой синтезированный белый шум c амплитудой и интенсивностью шумового сигнала. Изобретение обеспечивает гарантированное переключение мемристора из состояния с низким сопротивлением (СНС) в состояние с высоким сопротивлением (СВС) с сохранением длительного и стабильного отношения токов в состояниях СНС и СВС, а также стабильность параметров резистивного переключения (уменьшение деградации прибора во время переключений), кроме того, предлагаемое изобретение расширяет актуальный арсенал эффективных методик, обеспечивающих стабильное переключение мемристора. 7 ил.

Способ переключения мемристора из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, включающий воздействие на мемристор последовательности положительных и отрицательных прямоугольных импульсов напряжения, отличающийся тем, что к импульсному воздействию добавляют цифровой синтезированный белый шум c амплитудой и интенсивностью шумового сигнала.