Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задачи формирования элементов микроэлектроники на основе мемристорного эффекта 10
1.1 Концепция мемристора 10
1.2 Перспективные применения мемристоров и систем на их основе 14
1.2.1 Цифровая память 14
1.2.2 Логические схемы 16
1.2.3 Нейроморфические цепи 18
1.3 Материалы мемристоров 24
1.3.1 Твердотельные мемристоры на основе оксидов и иных соединений металлов 24
1.3.2 Органические мемристоры 36
1.4 Методы реализации мемристорных устройств 38
Выводы по главе 1 41
Глава 2. Разработка методики создания структур для изучения мемристорного эффекта 42
2.1 Используемые методы и оборудование для создания структур с целью изучения мемристорного эффекта 42
2.1.1 Формирование наноразмерных слоёв 42
2.1.2 Лазерная безмасочная литография 44
2.1.3 Исходные материалы 49
2.2 Методика создания структур для изучения мемристорного эффекта 50
2.2.1 Создание структур на основе оксидов 50
2.2.2 Создание структур на основе хлоридов 54
2.3 Контроль создаваемых структур 58
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Исследование мемристорного эффекта в различных материалах и структурах различной геометрии 64
3.1 Методика исследования электрических характеристик изучаемых элементов и используемое оборудование 64
3.2 Особенности электрических характеристик структур на основе оксидов 69
3.3 Особенности электрических характеристик структур на основе хлоридов 74
3.4 Особенности электрических характеристик структур на основе хлоридов с контактами из наноструктурированного углерода 80
3.4.1 Результаты исследования структур с использованием углеродных нанотрубок 80
3.4.2 Результаты исследования структур с использованием графена 83
3.5 Особенности электрических характеристик структур с планарной топологией на основе хлоридов 85
Выводы по главе 3 87
Глава 4. Разработка макетов приборов на основе создаваемых мемристорных элементов 89
4.1 Конструкция макета перцептрона для решения задачи классификации 89
4.2 Методика обучения макета перцептрона и контроль результатов 91
4.3 Особенности работы макетов приборов на основе хлоридных мемристорных элементов 95
Выводы по главе 4 98
Заключение 100
Благодарности 101
Список использованной литературы 102
Приложения 118
- Нейроморфические цепи
- Создание структур на основе оксидов
- Особенности электрических характеристик структур на основе хлоридов
- Методика обучения макета перцептрона и контроль результатов
Нейроморфические цепи
Ещё одним потенциальным применением мемристоров является создание нейроморфических цепей. Данные цепи разрабатываются с целью имитации мозга человека или животных. Мемристорные системы в данных цепях могут использоваться в качестве синапсов между нейронами, обеспечивая связь между элементами сети, запоминание информации и обучение сети. Также благодаря малым размерам данных систем теоретически плотность мемристорных элементов на чипе может быть сопоставима с плотностью нейронов в человеческом мозге ( 1010 синапсиов/см2) [26]. Вследствие данного факта становится возможным создание нейроморфических сетей, сопоставимых по размерам с биологическим мозгом.
Одной из важнейших особенностей биологических синапсов является присущая им пластичность, зависящая от времени спайка (spikeiming-dependent-plasticity (STDP)) [27-30]. В зависимости от очерёдности, в которой постсинаптический и пресинаптический сигналы достигают нейрона, синапс может испытывать долговременное ослабление (longerm depression (LTD)) или долговременную потенциацию (longerm potentiation (LTP)), то есть ослабление или усиление связи между нейронами пропорционально разнице во времени между постсинаптическим и пресинаптическим сигналами. С помощью данного механизма в биологических системах реализуется феномен памяти и обучения.
В работах [31-33] было реализовано на практике несколько типов сетей различной сложности, которые показывали нейроморфическое поведение. С целью реализации данных сетей использовались двух- [31, 32] и трёхэлектродные [33] мемристорные элементы. Так в работе [32] из мемристорных элементов на основе серебра был создан коммутируемый массив синапсов, на котором была продемонстрирована STDP-пластичность. Также в применённой архитектуре присутствовали КМОП элементы, с помощью которых анализировалось время пре-и постсинптических импульсов с целью генерации программирующих импульсов напряжения положительной или отрицательной полярности. На рисунке 1.5 приведены измерения STDP-пластичности синапсов, созданных с применением мемристоров, и измерения нейронов крыс, возбуждённых постсинаптическим током.
В работе [33] был создан синаптический транзистор, который показывал STDP-пластичность. Данная структура была сформирована на основе трёхэлектродного мемристорного устройства. Данное устройство имеет транзисторную структуру. Управляющий электрод в данном случае служит в целях побуждения изменения сопротивления элементоа, которое в свою очередь определяется током, проходящим через два других электрода. В работе была использована традиционная структура металл-оксид-полупроводник (МОП), под управляющим электродом которой был расположен парный полимерный слой и слой ионного проводника RbAg4I5. На рисунке 1.6 представлены результаты измерения STDP-пластичности данной мемристорной трёхэлектродной структуры.
В работе [31] сообщается о создании нейросети способной к ассоциативному обучению. Ассоциативная память – одна из наиболее важных способностей мозга живых организмов. Её наличием обусловлено появление условных рефлексов отвечающих за появление особого отклика на определённый раздражитель. Одним из наиболее известных экспериментов в данной области является опят с собакой Павлова. В данном эксперименте собаке давали еду и в то же время подавали звуковой сигнал. Позднее собакой приобрёлся условный рефлекс, в результате которого процесс слюноотделения начинался при звуке колокольчика даже при отсутствии еды.
В экспериментах использовалась нейросеть, состоящая из трёх нейронов (двух входных и выходного), соединённых двумя синапсами, роль которых и играли мемристоры (рисунок 1.7). По аналогии с экспериментом Павлова входные нейроны отвечали за “видимость пищи” и “звуковой сигнал”, выходной же нейрон отвечал за команду слюноотделения.
Основной особенностью, на которой основано функционирование данной нейросети, является перекрытие импульсов. При возбуждении входа 1 нейрон N1 посылает дальше в цепь положительные импульсы и возбуждает выходной нейрон. Последний при этом начинает посылать дальше положительные импульсы и отрицательные обратно. Если же одновременно с первым возбудить нейрон N2, то наложение положительных импульсов от него и отрицательных от выходного нейрона приведёт к превышению порогового напряжения на синапсе S2, что приведёт к уменьшению сопротивления мемристорного синапса S2, что и будет являться образованием ассоциации. На рисунке 1.8 показаны экспериментальные результаты, полученные в данной работе.
Представленные на рисунках характеристики показывают развитие ассоциативной памяти во времени. Изначально мемристор, имитирующий синапс S1 находится в низкоомном состоянии. Мемристор же отвечающий синапсу S2 напротив в начальный момент времени имеет высокое сопротивление.
Первая фаза является тестовой. Входные сигналы в данной фазе не перекрываются, и выходной сигнал наблюдается лишь в случае, когда есть входной сигнал на нейроне N1. Во время фазы обучения (рисунок 1.8(б)) сети оба входных сигнала приложены одновременно. В данном случае в соответствии с правилом Хебба [34] происходит развитие связи. Таким развитием в данном случае является переход мемристора, имитирующего синапс S2, из высокоомного состояния в низкоомное. Во время следующей за фазой обучения тестовой фазе наблюдалось
Таким образом, данный эксперимент показывает, что ели на схему, представленную на рисунке 1.7 одновременно подавать оба входных сигнала, то будет происходить развитие ассоциации, и в результате выходной сигнал будет наблюдаться при активации даже одного любого входа. Данный пример является полным аналогом ассоциативной памяти животных.
Создание структур на основе оксидов
Структуры для исследования эффекта переключения сопротивления формировались на монокристаллическом кремнии с естественным оксидом. Данный материал благодаря атомарно гладкой поверхности, хорошим изоляционным качествам оксида и относительной инертности позволяет исключить влияние подложки при рассмотрении эффектов, возникающих в исследуемых структурах. Перед началом процесса создания структуры подложки отмывались в изопропиловом спирте для удаления различных загрязнений оставшихся после резки пластины и хранения кристаллов. Остатки спирта смывались деионизованной водой, и образец обдувался сжатым воздухом. Исследования образцов после проведения данного процесса отмывки показали наличие не более 0,1 частицы размером менее 100 нм на площади 100 мкм2. Для улучшения смачивания образца фоторезистом кристаллы подвергались отмывке в толуоле.
После подготовки кристалла на его поверхности создавалась структура для исследования. Первоначально данные образцы представляли собой многослойные структуры. Нижним слоем на площадь всего кристалла наносилось 10 нм хрома и 100 нм платины в одном процессе напыления. Хром использовался как адгезионный подслой.
Далее через теневую маску наносился материал, из которого впоследствии формировался активный слой изучаемого элемента. Благодаря маске в центре кристалла размерами 10х10 мм2 оставался квадрат необходимого материала со стороной 8 мм. Во вторую очередь для данного типа структур наносились слои титана, тантала либо никеля. Затем структуры нагревались до 3500С в течение 15-60 минут. Данная операция позволяла провести термическое окисление второго напылённого слоя, в результате которого были получены оксиды соответствующих металлов (TiO2, Ta2O5, NiO) [115-117]. Оксид металла в готовой структуре являлся активным слоем изучаемого элемента. Данные оксиды были выбраны как наиболее изученные в литературе для отработки методики создания мемристорных структур.
После создания будущего активного слоя на его поверхность через теневую маску напылался слой платины толщиной 100 нм. Данный слой топологически представлял собой квадрат со стороной 6 мм в центре кристалла. Таким образом, после третьего процесса напыления готовый образец представлял собой многослойную структуру, схема которой представлена на рисунке 2.6.
Слои платины в данных структурах являлись подводящими электродами к изучаемому слою оксида. Использование платины позволило исключить из рассмотрения причин возникновения эффекта переключения сопротивления переходные слои между активным материалом и электродами и сам материал электродов. Это становится возможным благодаря тому, что, будучи благородным металлом, платина при нормальных условиях не вступает в реакции с другими материалами, а также крайне слабо подвержена электромиграции.
Преимуществами данной конструкции элементов являлись простота их изготовления, малое время подготовки образцов к исследованию. Однако данные элементы обладали рядом существенных недостатков. Одним из них являлась плохо контролируемая площадь элемента, которая была равна площади контакта между зондом измерительной установки и верхним электродом элемента. Также при установке образца в измерительные системы сохранялась вероятность прокола активного слоя, поскольку подвод зондов к верхнему электроду осуществлялся непосредственно над активным слоем. Кроме того данная конструкция элемента позволяла размешать лишь одну структуру на каждом кристалле.
С целью устранения указанных недостатков конструкции в методику создания образцов были включены этапы фотолитографии на созданной установке безмасочной лазерной литографии. Все слои структур наносились через окна в фоторезисте. Первым этапом было создание нижних электродов структур. Для этого после отмывки кристалла на него наносился фоторезист. После на готовом к экспонированию фоторезисте засвечивались области под контакты к структурам. В качестве контактов использовались полоски металла шириной 2-5 мкм и длиной 0,5 мм. На конце каждой линии размещались площадки для подвода зондов измерительной установки. Для удобства работы со структурами данные площадки имели размеры 150х300 мкм и располагались друг от друга на расстоянии 50 мкм. После вскрытия окон в фоторезисте проводилось напыление 10 нм хрома и 100 нм платины. Затем осуществлялся взрыв, после которого на подложке оставались нижние электроды будущей структуры.
Далее, описанным выше способом, на каждой из полос металла создавался квадрат со стороной 50 мкм из материала активного слоя. Термическое окисление созданных квадратов проводилось после взрыва фоторезиста. Также в работе для создания плёнок оксидов использовался метод реактивного магнетронного распыления [118, 119]. В процессе нанесения плёнки металла в камеру магнетрона подавалась смесь аргона с кислородом (50% Ar, 50% O2), в результате чего на подложку осаждался слой оксида металла. Также с помощью данного метода создавались двойные активные слои элементов, которые состояли частично из металла, а частично из его оксида.
После завершения создания активного слоя на структурах делался верхний электрод. Данный электрод, как и нижний, представлял собой полосу платины толщиной 100 нм и шириной 2-5 мкм с контактной площадкой на одном из концов. Верхние полосы располагались перпендикулярно нижним. Пересекались электроды в области активного слоя.
Таким образом, после завершения создания верхнего электрода на кристаллах получались кроссбар структуры, представляющие собой два скрещивающихся электрода с активным слоем между ними. При данной конструкции элементов путём задания ширины обоих электродов точно контролируются размеры области, в которой изучается мемристорный эффект. Площадь каждого мемристоргоно элемента в данной работе составляла от 4 мкм2 до 25 мкм2. За счёт разнесения контактных площадок верхнего и нижнего электрода и исполнения их на одной плоскости кремниевой подложки исключается вероятность повреждения исследуемой области во время процесса измерений. Также за счёт существенного сокращения размеров элементов становится возможным создание серий образцов на одном кристалле. Фото готовой структуры приведено на рисунке 2.7.
Особенности электрических характеристик структур на основе хлоридов
Проведение измерений мемристроных структур на основе различных оксидов позволило отработать предложенную методику исследования элементов с эффектом резистивного переключения. Наличие методики точного определения мемристорного эффекта и измерения основных рабочих характеристик мемристорных элементов позволило перейти к исследованию эффекта переключения сопротивления в материалах, которые ранее данный эффект не наблюдался.
В качестве материалов для изучения были выбраны хлорид меди и хлорид хрома. Выбор данных материалов обусловлен высокой активностью хлора, что может способствовать его активной диффузии в объёме материалов под действием внешнего электрического поля и изменению сопротивления плёнок. Также, за счёт пластичности меди, можно осуществить её вытягивание в объём плёнки за счёт действия поля. В случае хрома возможен переход между различными хлоридами данного металла при приложении достаточного напряжения к структуре.
Указанные материалы плохо подходят для проведения литографии и иных стандартных процессов электроники, поскольку, хоть и плохо, но растворяются в воде [139]. Кроме того, существуют сложности и с получение тонких плёнок данных соединений. Данными обстоятельствами обусловлен тот факт, что мемристорный эффект ранее не изучался в плёнках хлоридов меди и хрома. Однако разработанная методика создания мемристорных элементов на основе указанных соединений позволила провести подобные исследования.
При исследовании структур, созданных на основе тонкой плёнки хлорида меди, было обнаружено изменение сопротивления элемента под действием прикладываемого напряжения. Было установлено, что предельные значения напряжения, которые выдерживают данные образцы, составляют -7 В и +7 В. При превышении данных уровней подаваемого входного сигнала сопротивление структур резко уменьшалось и не возвращалось к прежнему значению. По результатам проведённых измерений было установлено, что оптимальным для элементов на основе хлорида меди является диапазон напряжения от -3 В до +3 В.
При проведении измерений электрических характеристик данных структур было обнаружено резкое уменьшение сопротивление элементов при достижении входного сигнала уровня +0,5 В. При последующей подаче напряжения величиной -1,5 В наблюдалось скачкообразное увеличение сопротивления до первоначального значения. Разница сопротивлений структур в высокоомном и низкоомном состояниях составляла около двух порядков величины. По несимметричности напряжений переключения структур и резкому характеру изменения сопротивления был сделан вывод, что определяющим механизмом мемристорного эффекта в элементах на основе хлорида меди является образование проводящих каналов, состоящих из чистой меди. Вольт-амперные характеристики данных структур (рисунок 3.11) согласуются с литературными данными по механизму изменения сопротивления путём проводящих каналов [140-143].
Дальнейшие измерения показали стабильное переключение состояний сопротивления при частотах входного сигнала до 100 кГц. Таким образом, данные структуры превосходили по рабочим частотам аналогичные на основе оксидов. Также частоты переключений исследованных структур оказались выше известных по литературным источникам для структур на основе различных оксидов, созданных по схожей технологии. Данное увеличение быстродействия было достигнуто без существенного изменения в технологии изготовления мемристорных элементов по сравнению с технологией для элементов на основе оксидов. Таким образом, совершенствуя технологию создания элементов с изменяемым уровнем проводимости, использование плёнок хлорида меди позволит добиться лучших времён переключения элементов по сравнению с оксидами.
Временные измерения показали долговечность исследованных структур. В результате исследований было установлено, что данные элементы выдерживают не менее 106 циклов переключения. В процессе проведения измерений характеристики исследуемых элементов изменялись не более чем на 3%. На рисунке 3.12 приведены вольт-амперные характеристики структур после различного числа циклов переключений.
Также, установленное состояние проводимости структур являлось стабильным и не изменялось со временем. Кроме того, в ходе работы удалось добиться повторяемости характеристик элементов от образца к образцу и малого разброса параметров элементов на одном кристалле, что является важным свойством при дальнейшем массовом использовании технологии. Так, различия сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях шестнадцати элементов, сформированных в одном процессе, составляют не более 5% (рисунок 3.13).
Кроме того, при исследовании данных образцов была показана масштабируемость эффекта резистивного переключения. С данной целью был создан образец без верхнего электрода. Разработанная методика исследования электрических характеристик создаваемых образцов была реализована при помощи зондового микроскопа. В роли верхнего электрода исследуемого элемента выступал кантилевер зондового микроскопа, подведённый к верхней поверхности активного слоя в контактном режиме. С целью проведения электрических измерений использовался кремниевый кантилевер с проводящим платиновым покрытием. Площадь контакта данного зонда с плёнкой материала активного слоя можно считать площадью мемристорного элемента. В результате выполненных измерений было установлено, что эффект переключения сопротивления в структурах на основе хлорида меди проявляется даже при много кратном уменьшении площади контакта. Основные электрические параметры мемристорного элемента остались неизменны, но возросло общее сопротивление структуры пропорционально уменьшению площади подводящего контакта (рисунок 3.14). Так площадь контакта кантилевера с радиусом закругления 10 нм примерно равна 150 нм2, площадь ранее исследованных мемристорных элементов равна 25 мкм2, различие сопротивлений структур как в высокоомном, так и в низкоомном состояниях составляет шесть порядков величины, что соответствует различию в площадях сечения исследованных элементов.
Методика обучения макета перцептрона и контроль результатов
С целью установки необходимых весов связей между нейронами для выполнения перцептроном поставленной задачи проводилось обучение нейронной сети. Для достижения требуемых результатов было решено использовать обучение с учителем.
В случае обучения однослойной нейронной сети на её выход подавалось напряжение большее, чем напряжение переключения мемристорного элемента из высокоомного состояния в низкоомное (в экспериментах использовалось напряжение 5 В). Одновременно с этим входы сети, на которых должен быть потенциал при подаче сигнала, для распознавания которого обучается сеть, заземлялись. Остальные же входы оставались неподключенными. Затем на выход сети подавалось напряжение ниже необходимого для переключения мемристорного элемента из низкоомного состояния в высокоомное (в экспериментах использовалось -5 В). Также в это же время заземлялись входы, соответствующие всем остальным конфигурациям входного сигнала. Обучение проводилось импульсами напряжения по 250 мс.
После проведения обучения проводился контроль успешности его выполнения. С данной целью на некоторые из входов подавалось напряжение величиной 0,5 В, которое условно будем называть «1». Остальные входы заземлялись, их условно будем называть «0». Выход сети также заземлялся, и на нём измерялось значение протекающего тока. Таким образом, перебирались все возможные комбинации входных сигналов, коих при наличии трёх входных электродов насчитывается семь (комбинация «000» из рассмотрения была исключена, поскольку разрабатываемый прибор являлся пассивным устройством и при подаче данного сигнала на вход тока через нейронную сеть наблюдаться не будет). Результаты обучения сети считались удовлетворительными, если при подаче на входные электроды комбинации сигналов, на которую была обучена сеть, ток на выходе прибора был большем, чем при иных входных сигналах. В случае неудовлетворительных результатов теста проводилась ещё одна итерация обучения с последующим контролем. Процесс повторялся до успешного прохождения контроля. Затем, в целях демонстрации возможности переобучения сети процесс повторялся для иной комбинации входных напряжений. На рисунке 4.4 представлен пример обучения сети на распознавание сигнала 101.
При обучении макета перцептрона заземлялся один из выходов. На входы, на которых будет потенциал в сигнале, за который ответственен данный выход, подавалось напряжение 5 В. Одновременно с этим на остальные входные электроды подавалось напряжение -5 В. Обучение проводилось импульсами напряжения длительностью 1-60 с. Данное действие позволяло формировать оптимальный путь прохождения тока через сеть от необходимых входов до соответствующего выхода и подавлять ненужные каналы прохождения тока. Затем процесс повторялся для другого выхода и иной комбинации входных напряжений. Такой подход к обучению нейронной сети использует процессы самоорганизации. Преимуществами данного решения является отсутствие необходимости коррекции веса каждого синапса отдельно в каждом слое после проведения тестовых измерений.
При исследовании результатов обучения перцептрона на входные электроды подавалась комбинации напряжений 0,5 В (условная «1») и 0 В (условный «0»). Оба выхода исследуемой нейронной сети заземлялись, и измерялся ток, проходящий через них. Предложенный перцептрон обучался на распознавание двух различных сигналов, за каждый из которых ответственен свой выход. Таким образом, обучение считалось успешно выполненным в случае, когда при подаче одного из запомненных сигналов ток на соответствующем выходе оказывался больше, чем на другом, и наблюдалось противоположное отношение токов выходов, когда на входах был второй сигнал. Если достичь положительных результатов тестирования за одну итерацию обучения не удавалось, цикл распределения весов связей повторялся, и заново проводились тестовые измерения отклика нейронной сети. После достижения положительных результатов обучения перцептрон перенастраивался для распознавания другой пары сигналов. На рисунке 4.5 показан пример обучения макета перцептрона на различение сигналов 100 и 101