В рамках проекта Российского научного фонда (грант № 16-19-00144) ученые Университета Лобачевского реализовали новый вариант мемристивной структуры «металл-оксид-металл», перспективный для использования в запоминающих устройствах RRAM (Resistive Random Access Memory) и новых вычислительных системах, в том числе нейроморфных.

Ключевой проблемой на пути к новому применению мемристивных устройств является недостаточная воспроизводимость (разброс) параметров резистивного переключения. Этот разброс в структурах «металл-оксид-металл» определяется стохастической природой процесса миграции ионов кислорода и (или) кислородных вакансий, отвечающих за окисление и восстановление проводящих каналов (филаментов) вблизи интерфейса металл/оксид, и усложняется деградацией параметров структур в случае неуправляемого кислородного обмена.

Традиционные подходы к управлению мемристивным эффектом включают формирование специальных концентраторов электрического поля и подбор (инженерию) материалов/границ раздела (интерфейсов) в мемристивной структуре, которые обычно требуют усложнения технологического процесса создания мемристивных устройств.

По словам одного из исследователей, заведующего лабораторией НИФТИ ННГУ Алексея Михайлова, нижегородские ученые в своей работе впервые использовали комбинированный подход, сочетающий достоинства инженерии мемристивных структур и интерфейсов путем комбинации материалов проводящих электродов с определенным сродством к кислороду и оксидных слоев различного состава, а также самоформирования металлических нанокластеров, служащих концентраторами электрического поля.

«Такой подход не требует введения дополнительных операций в технологический процесс изготовления устройств и позволяет продемонстрировать практически важный результат, который состоит в стабилизации резистивного переключения между нелинейными резистивными состояниями в многослойной структуре на основе пленок стабилизированного иттрием диоксида циркония с заданной концентрацией кислородных вакансий и дополнительных слоев оксида тантала», — поясняет Алексей Михайлов.

Комплексное исследование учеными Университета Лобачевского структуры и состава материалов позволило интерпретировать полученный результат на основе представлений о формировании филаментов с центральной проводящей частью в пленке ZrO2(Y) и воспроизводимых структурных превращениях в нижележащей пленке оксида тантала между более проводящей рутилоподобной фазой TaOx и диэлектрической фазой Ta2O5 при джоулевом нагреве локальной области вблизи филамента.

Стабилизации резистивных состояний способствует наличие границ зерен в ZrO2(Y) как предпочтительных мест для зарождения филаментов, наличие нанокластеров как концентраторов поля в пленке Ta2O5 и обмен кислородом между оксидными слоями на интерфейсе с TiN.

«Важно отметить, что оптимизированная структура также была реализована в составе мемристивного чипа с устройствами кросс-пойнт и кросс-бар (размер устройства — 20 мкм × 20 мкм), которые демонстрируют надежное переключение и низкий разброс резистивных состояний (менее 20%), что открывает перспективу для программирования мемристивных весов в больших пассивных массивах и их применения при аппаратной реализации различных функциональных схем и систем на основе мемристоров. Следующим шагом на пути к коммерциализации разработанных научно-технологических решений планируется интеграция массива мемристивных устройств с приборным слоем КМОП, содержащим периферийные и управляющие схемы», — отмечает Алексей Михайлов.

С этой целью в ННГУ разрабатывается новая топология интегральной микросхемы за счет средств по гранту Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники (Соглашение №316-06-16-20/19).