Лазерный синтез тонких пленок оксидов переходных металлов в качестве активной области мемристора / Паршина Л.С., Новодворский О.А., Храмова О.Д.

Abstract

Реализация нейроморфных био-подобных систем решит проблему создания скоростных энергоэффективных вычислительных устройств менее уязвимых для накопления ошибок. Функциональные возможности таких систем могут быть реализованы с использованием резистивного переключения энергозависимых и энергонезависимых мемристорных структур, на основе которых будут созданы новые типы элементов искусственного интеллекта нейристоры и синапторы, выполняющие функции искусственных синапсов и нейронов человеческого мозга [1]. Резистивное переключение - физическое явление, при котором сопротивление устройства зависит от приложенного напряжения или его предыстории [2]. Оксиды переходных металлов привлекательны тем, что способны реализовать два основных типа резистивного переключения: энергозависимое и энергонезависимое [3]. При энергозависимом переключении сопротивление материала изменяется при подаче достаточно высокого напряжения или тока, после чего оно возвращается к своему первоначальному значению. При энергонезависимом переключении сопротивление материала не возвращается к своему первоначальному значению после прекращения импульса, но может изменяться при подаче следующего импульса. В настоящее время для разработки нейроморфных систем искусственного интеллекта необходимо как усовершенствование архитектуры мемристорных устройств, так и исследование новых материалов для их создания. В нашей работе методом импульсного лазерного осаждения в бескапельном режиме [4] с применением масочных технологий получены тонкие пленки Ta2O5-х, а также мемристорные структуры в кроссбар-геометрии на их основе. Использование бескапельного режима осаждения тонкопленочных слоев обеспечивало получение гладких однородных пленок высокого качества благодаря устранению капель, вылетающих из мишени на подложку в процессе осаждения. Абляция металлических мишеней осуществлялась излучением эксимерного KrF-лазера с длиной волны 248 нм при плотности энергии на мишени не менее 3 Дж/см2 . Давление кислорода в вакуумной камере в процессе роста пленок менялось от 0,1 мТорр до 90 мТорр с целью изменения степени окисления активной области мемристора. Толщины оксидных слоев варьировались от 10 до 100 нм. Выявлен энергонезависимый мемристивный эффект в тонкопленочных структурах Au/TaO2/Ta2O5-х/Au. Исследована зависимость ВАХ мемристорных структур от степени окисления активной области мемристора при униполярном и биполярном режимах прикладываемого напряжения. Установлена зависимость мемристивных свойств полученных структур от толщины активной оксидной области.