Физические основы переключения многоуровнего мемристора для нейроморфных вычислений

Проведены транспортные измерения для мемристоров Si/TaN/HfO_1.77/Ni в температурном диапазоне 4.2 - 300 К до формовки, высокоомном и низкоомном состояниях. Показано, что при понижении температуры с 300 до 100 К ток до формовки экспоненциально уменьшается, при дальнейшем понижении температуры значение тока при постоянном напряжении насыщается. Выявлено, что мемристоры успешно могут проходить этап формовки и демонстрировать переключение между различными состояниями при температурах вплоть до 4.2 К. В высокоомном состоянии мемристора ток экспоненциально зависит от температуры и электрического поля в диапазоне температур 80 - 300 К. При температурах ниже 80 К температурная зависимость тока выходит на насыщение, что соответствует туннельному механизму транспорта. В низкоомном состоянии мемристора вольт-амперные характеристики нелинейны от 4.2 до 300 К. Полевые зависимости дифференциального сопротивления dV/dI-vs-V имеют колоколообразный вид, что можно объяснить разогревом электронного газа при повышении напряжения. Показано, что при T < 20 K dV/dI (V = 0) имеет слабую температурную зависимость с невыраженным максимумом при T = 8 К. При относительно высоких температурах 100 - 300 К кондактанс мемристора в низкоомном состоянии уменьшается по степенному закону G ~ T^-1/3. Установлено, что для различных кристаллических фаз HfO₂ для каждой последующей вакансии кислорода энергетически выгодно формирование вблизи уже существующих вакансий, причём с одним атомом металла связано не более двух атомов кислорода, подвергающихся удалению. Установлено, что для различных кристаллических фаз HfO₂ вакансионные комплексы из N вакансий кислорода формируют в запрещённой зоне N заполненных электронами уровней, причём эти уровни локализуются вблизи уровня моновакансии кислорода. С помощью сопоставления расчётных и экспериментальных рентгеновских фотоэлектронных спектров валентной зоны HfO₂ показано, что пик в экспериментальном спектре выше края валентной зоны, появляющийся в результате синтеза плёнки при пониженном парциальном давлении кислорода, обусловлен кислородными вакансиями и поливакансиями. Изучен процесс формовки на начальных этапах в модельных структурах на основе оксида кремния с использованием явления электрически индуцированных токов утечки в качестве модельного. Показано, что пропускание заряда через SiO₂ приводит к генерации дефектов – вакансий кислорода – с концентрацией > 10²¹ см⁻³. Дефекты формируются в некоторой области с общей площадью до 10 мкм². Показано, что высокотемпературный отжиг приводит к аннигиляции дефектов с уменьшением их концентрации до начального значения. Сделано заключение, что переход мемристора на основе оксидных диэлектриков из низкоомного состояния в высокоомное вызван "отжигом" собственных дефектов при повышенной температуре среды при протекании тока через проводящий филамент. Разработана нестационарная теплофизическая модель роста филамента при пропускании по диэлектрику импульсов электрического тока различной продолжительности, скважности и полярности. Модель представляет собой краевую задачу, включающую нестационарное уравнение теплопроводности с нелинейным источником джоулева тепла, а также уравнения электродинамики: уравнение Пуассона и уравнения Шокли - Рида - Холла (уравнения переноса зарядов) с учетом сильного электрон-фононного взаимодействия в процессах ионизации ловушек и транспорта заряда. Решение представленной задачи позволяет описать кинетику процесса переключения и получить конечную структуру филамента. Выращена серия аморфных плёнок ZrOₓ с x<2 методом ионно-лучевого распыления-осаждения. Обнаружено, что при низком парциальном давлении кислорода образуются поглощающие свет пленки с металлическим типом проводимости, при повышении парциального давления кислорода образуются прозрачные плёнки с диэлектрическим типом проводимости.