Физические основы переключения многоуровнего мемристора для нейроморфных вычислений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-19-00002

НазваниеФизические основы переключения многоуровнего мемристора для нейроморфных вычислений

Руководитель Исламов Дамир Ревинирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-304 - Электрофизические процессы в жидкостях, газах и твердых диэлектриках

Ключевые слова Мемристор, многоуровневые (мультибитовые) состояния, филамент, high-k диэлектрики, дефекты структуры, вакансия кислорода, процессы тепломассообмена, нейроморфные вычисления.

Код ГРНТИ28.23.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нейронные и нейроморфные сети, имитирующие функции мозга, используются в различных областях науки и техники. Большинство таких систем реализовано в виде программного кода, выполняемого на обычных последовательных ЭВМ. Для создания более эффективных нейронных сетей требуется расширить элементную базу новыми приборами с эффектом памяти. Именно таким свойством обладает мемристор – пассивное устройство, сопротивление которого может быть изменено при пропускании через него определённого импульса электрического тока. Мемристор представляет собой структуру металл-диэлектрик-металл с диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектриком) . Функционально мемристоры можно разделить на двухуровневые (однобитовые) и многоуровневые (мультибитовые). Если однобитовые устройства могут быть использованы в качестве ячейки быстрой энергонезависимой памяти с большим временем хранения и высокой радиационной стойкостью, то мультибитовые мемристоры позволяют увеличить плотность интеграции энергонезависимой памяти, а также спроектировать и создать системы с механизмом параллельных вычислений, которые необходимы для создания основы адаптивных нейроморфных (когнитивных) сетей. Одной из наиболее интересных и до сих пор нерешённых проблем является природа промежуточных (дискретных) многоуровневых состояний в мемристоре. Приборы, основанные на этом эффекте, с одной стороны позволяют увеличить интегральную плотность ячеек памяти, поскольку хранят не 1 бит, а несколько, а с другой стороны могут быть использованы при моделировании структурно-функциональных свойств базового элемента известных когнитивных систем – нейрона. Гипотеза о том, что память мозга связана со свойствами структурных элементов нейронных клеток, является достаточно распространённой. Теоретически и экспериментально было доказано, что микротрубочки внутри нейрона, состоящие из димеров белка тубулина, обладают эффектом памяти с многоуровневым резистивным переключением. Поэтому многоуровневый мемристор является перспективным элементом при проектировании систем, моделирующих нейроморфные адаптивные сети. Среди специалистов распространена гипотеза, что эффект мемристивного переключения напрямую связан с формированием так называемого филамента – проводящей нанопроволоки диаметром 0.1–10 нм, возникающей при пропускании по диэлектрику определённого импульса тока. Однако, до сих пор не ясна кинетика его образования при переходе мемристора из высокоомного состояния в низкоомное. Другой нерешённой проблемой на пути разработки мемристорных элементов является описание процесса формовки (и возможности его предотвращения) – первое переключение из исходного высокоомного состояния в низкоомное при повышенных напряжениях, сопровождаемое интенсивным выделением джоулевого тепла. Природа формовки матрицы мемристоров до сих пор неясна, а отсутствие сколь-либо правдоподобной физической модели сдерживает практическую реализацию данных элементов для нейроморфных вычислений. Одной из основных проблем на пути массового внедрения диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью в технологический процесс являются их высокие токи утечки, то есть высокая проводимость, обусловленная высокой концентрацией дефектов. Считается, что наиболее вероятными и распространёнными дефектами являются кислородные вакансии. Свойства кислородных вакансий в оксидных high-k диэлектриках активно изучаются как экспериментально, так и теоретически, и в настоящее время в литературе можно найти много противоречивых данных. Окончательно роль и характеристики кислородных вакансий при переносе заряда через диэлектрик не установлены. Также не до конца выяснены механизмы переноса заряда в активной среде мемристора в состоянии с низким сопротивлением. Комплексное решение сформулированных задач позволит выработать практические рекомендации для оптимизации технологии мемристоров и прогнозировать поведение мемристорных матриц, в том числе в нейроморфной электронике и в матрицах энергонезависимой памяти высокой ёмкости. Таким образом, в настоящем проекте будут теоретическая и практическая основы для создания элементной базы адаптивных нейроморфных сетей и устройств моделирования элементов памяти мозга – нейронов – на основе многоуровневых мемристоров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чернов А.А., Пильник А.А., Исламов Д.Р. Нелинейная модель мемристорного переключения Тезисы Всероссийской конференции “Теплофизика и физическая гидродинамика – 2016”, Ялта, Республика Крым, 19-25 сентября 2016., с. 98 (год публикации - 2016)

2. Chernov A.A., Islamov D.R., Pik'nik A.A. Non-linear memristor switching model Journal of Physics: Conference Series, Vol. 754, Iss. 10, P. 102001 (год публикации - 2016)
10.1088/1742-6596/754/10/102001

3. Islamov D.R., Kruchinin V.N., Aliev V.Sh., Perevalov T.V., Gritsenko V.A., Prosvirin I.P., Orlov O.M., Chin A. Potential Fluctuation in RRAM Based on Non-Stoichiometric Hafnium Sub-Oxides Advances in Science and Technology, V. 99, P. 69-74 (год публикации - 2017)
10.4028/www.scientific.net/AST.99.69

4. Кручинин В.Н., Алиев В.Ш., Герасимова А.К., Гриценко В.А. Оптические свойства нестехиометрического ZrO(x) по данным спектроэллипсометрии Оптика и спектроскопия, Т. 121, № 2, С. 260-265 (год публикации - 2016)
10.7868/S0030403416080092

5. Исламов Д.Р., Гриценко В.А., Перевалов Т.В., Орлов О.М., Красников Г.Я. Механизм транспорта электрически-индуцированных токов утечки и природа электронных ловушек в термическом оксиде кремния КРЕМНИЙ-2016. Тезисы. Издательство: Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН, c. 110 (год публикации - 2016)

6. Исламов Д.Р., Чернов А.А., Пильник А.А., Перевалов Т.В., Гриценко В.А. Трёхмерная нелинейная полносвязанная динамическая модель переключения мемристора КРЕМНИЙ-2016. Тезисы. Издательство: Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН, С. 145 (год публикации - 2016)

7. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Perevalov T.V., Orlov O.M., Krasnikov G.Ya. Charge transport mechanism of stress induced leakage current in thermal silicon oxide ECS Transactions, V. 75, Iss. 5, P. 57-62 (год публикации - 2016)
10.1149/07505.0057ecst

8. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Perevalov T.V., Orlov O.M., Krasnikov G. Ya. The charge transport mechanism and electron trap nature in thermal oxide on silicon Applied Physics Letters, V. 109, Iss. 5, P. 052901 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4960156

Публикации

1. Chernov A.A., Islamov D.R., Perevalov T.V., Gritsenko V.A. Three-dimensional non-linear complex model of dynamic memristor switching ECS Transactions, Vol. 75, Iss. 32, P. 95-104 (год публикации - 2017)
10.1149/07532.0095ecst

2. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Lebedev M.S. Determination of Trap Density in Hafnium Oxide Films Produced By Different Atomic Layer Deposition Techniques ECS Transactions, Vol. 80, Iss. 1, P. 265-270 (год публикации - 2017)
10.1149/08001.0265ecst

3. Perevalov T.V., Islamov D.R. Oxygen Polyvacancies as Conductive Filament in Zirconia: First Principle Simulation ECS Meeting Abstracts, Vol. MA2017-02, Iss. 14, P. 859 (год публикации - 2017)

4. Исламов Д.Р., Гисматулин А.А., Гриценко В.А., Лебедев М.С. Определение концентрации дефектов в тонких плёнках оксида гафния, синтезированных различными методами атомно-слоевого осаждения Физика диэлектриков (Диэлектрики-2017). Материалы XIV Международной конференции, Санкт-Петербург, 29 мая 2017 - 2 июня 2017, Т. 1, С. 218-220 (год публикации - 2017)

5. Швец В.А., Кручинин В.Н., Гриценко В.А. Дисперсия показателя преломления в high-k диэлектриках Оптика и спектроскопия, Т. 123, №5, с. 728-733 (год публикации - 2017)
10.1134/S0030400X17110194

6. Исламов Д.Р., Гриценко В.А., Перевалов Т.В., Орлов О.М., Красников Г.Я. Индуцированные токи утечки и механизм транспорта заряда в термическом оксиде кремния Физика диэлектриков (Диэлектрики-2017). Материалы XIV Международной конференции, Санкт-Петербург, 29 мая 2017 - 2 июня 2017, Т. 1, С. 66-68 (год публикации - 2017)

7. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Lebedev M.S. Determination of Trap Density in Hafnium Oxide Films Produced by Different Atomic Layer Deposition Techniques ECS Meeting Abstracts, Vol. MA2017-02, Iss. 14, P. 847 (год публикации - 2017)

8. Пильник А.А., Чернов А.А., Исламов Д.Р. Тепловые процессы в активной среде ReRAM элемента Физика диэлектриков (Диэлектрики-2017). Материалы XIV Международной конференции, Санкт-Петербург, 29 мая 2017 - 2 июня 2017, Т. 1, С. 247-248 (год публикации - 2017)

9. Islamov D.R., Pil’nik A.A., Chernov A.A., Perevalov T.V., Gritsenko V.A. Nonlinear full-coupled dynamic memristor switching model “H.2. Memristive Devices - from Fundamentals to Applications”, XXVI International Materials Research Congress (IMRC 2017) in Cancún, México, August 20-25, 2017, Sim H.2, Abs. 020 (год публикации - 2017)

10. Гриценко В.А., Исламов Д.Р. Физика диэлектрических пленок: механизмы транспорта заряда и физические основы приборов памяти Физика диэлектрических пленок: механизмы транспорта заряда и физические основы приборов памяти. Параллель. Новосибирск, 352 с. (год публикации - 2017)

11. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Perevalov T.V., Orlov O.M., Krasnikov G.Ya. Mechanism of charge transport of stress induced leakage current and trap nature in thermal oxide on silicon Journal of Physics: Conference Series, Vol. 864, P. 012003 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/864/1/012003

12. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Lebedev M.S. Determination of trap density in hafnia ﬁlms produced by two atomic layer deposition techniques Microelectronic Engineering, Vol. 178, P. 104-107 (год публикации - 2017)
10.1016/j.mee.2017.05.004

13. Islamov D.R., Perevalov T.V., Gritsenko V.A., Aliev V.Sh., Saraev A.A., Kaichev V.V., Ivanova E.V., Zamoryanskaya M.V., Chin A. The Nature of Defects Responsible for Transport in a Hafnia-Based Resistive Random Access Memory Element Advances in Semiconductor Nanostructures Growth, Characterization, Properties and Applications. Elsevier Inc., P. 493-504 (год публикации - 2017)
10.1016/B978-0-12-810512-2.00020-2

14. Perevalov T.V., Islamov D.R. Atomic and electronic structure of oxygen polyvacancies in ZrO2 Microelectronic Engineering, Vol. 178, P. 275-278 (год публикации - 2017)
10.1016/j.mee.2017.05.036

15. Исламов Д.Р., Гриценко В.А., Чин А. О транспорте заряда в тонких пленках оксидов гафния и циркония Автометрия, Т. 53, № 2, С. 102-108 (год публикации - 2017)
10.15372/AUT20170212

Публикации

1. Voronkovskii V.A., Aliev V.S., Gerasimova A.K., Islamov D.R. Influence of HfOx composition on hafnium oxide-based memristor electrical characteristics Materials Research Express, Vo. 5, N. 1, P. 016402 (год публикации - 2018)
10.1088/2053-1591/aaa099

2. Gritsenko V.A., Perevalov T.V., Voronkovskii V.A., Gismatulin A.A., Kruchinin V.N., Aliev V.Sh., Pustovarov V.A., Prosvirin I.P., Roizin Y. Charge Transport and the Nature of Traps in Oxygen Deficient Tantalum Oxide ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 10, Iss. 4, P. 3769–3775 (год публикации - 2018)
10.1021/acsami.7b16753

3. Gritsenko V.A., Novikov Yu.N., Perevalov T.V., Kruchinin V.N., Aliev V.Sh., Gerasimova A.K., Erenburg S.B., Trubina S.V., Kvashnina K.O., Prosvirin I.P., Lanza M. Nanoscale Potential Fluctuations in Zirconium Oxide and the Flash Memory Based on Electron and Hole Localization Advanced Electronic Materials, Vol. 4, Iss. 9, P. 1700592 (год публикации - 2018)
10.1002/aelm.201700592

4. Perevalov T.V., Gritsenko V.A., Gismatulin A.A., Voronkovskii V.A., Gerasimova A.K., Aliev V.Sh., Prosvirin I.A. Electronic structure and charge transport in nonstoichiometric tantalum oxide Nanotechnology, Vol. 29, N. 26, P. 264001 (год публикации - 2018)
10.1088/1361-6528/aaba4c

5. Исламов Д.Р., Гриценко В.А., Кручинин В.Н., Иванова Е.В., Заморянская М.В., Лебедев М.С. Эволюция проводимости и катодолюминесценции пленок оксида гафния при изменении концентрации вакансий кислорода Физика твердого тела, Т. 60, Вып. 10, С. 2006-2013 (год публикации - 2018)
10.21883/FTT.2018.10.46532.114

6. Islamov D.R., Gritsenko V.A., Kruchinin V.N., Lebedev M.S. The Relationship between the Oxygen Vacancies Density with the Electronic and Optical Properties of Hafnium Oxide ECS Meeting Abstracts, Vol. MA2018-02, Iss. 16, P. 687 (год публикации - 2018)

7. Islamov D.R. How to determine trap density in Hf-based high-κ when standard chemical techniques do not work CCMR 2018 Abstract, P. 457-460 (год публикации - 2018)

8. Pil’nik A.A., Chernov A.A., Perevalov T.V., Islamov D.R. Simulations of Correlative Defect Forming in Hafnia ECS Meeting Abstracts, ol. MA2018-02, Iss. 16, P. 691 (год публикации - 2018)

9. Исламов Д. Р., Пильник А. А., Чернов А. А. Коррелированное образование дефектов в диэлектриках при локализации заряда на ловушках Тезисы докладов III Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика», Стр. 191 (год публикации - 2018)

10. XAFS-исследование микроструктуры high-k диэлектрических элементов для мемристорных структур (год публикации - 2018)