Физические основы переключения многоуровнего мемристора для нейроморфных вычислений

Изготовлены серии тестовых структур Si/TaN/ZrO(x)/Ni, Si/TaO(x), Si/TaO(x)/Ni с различными значениями параметра x. Оптимизированы режимы синтеза мемристорных структур Si/TaN/ZrO(x)/Ni. Измерены рентгеновские фотоэлектронные спектры (РФЭС) валентной зоны и остовных уровней Ta в оксидах и субоксидах TaO(x) при 0 ≤ x ≤ 2,5. Экспериментальные РФЭС спектры валентной зоны сравнивались с теоретически рассчитанными из кватновохимического моделирования. Определены атомная структура субоксидов TaO(x) и значения параметра стехиометрии (атомные соотношения [O]/[Ta]). Изучены оптические свойства плёнок оксида тантала с различной степенью стехиометрии TaO(x) переменного состава в спектральном диапазоне длин волн 250 – 1100 нм. Обнаружено, что при значении x < 2,4 образуются поглощающие свет плёнки с металлическим типом проводимости, а при величинах x > 2,4 – прозрачные плёнки с диэлектрическим типом проводимости. Показано, что спектральные зависимости оптических констант плёнок TaO(x) хорошо описываются соответствующими дисперсионными моделями: полиномиальной моделью Коши для плёнок с диэлектрическим и осцилляторной моделью Лоренца – Друде для пленок с металлическим типами проводимости. Из края оптического поглощения определена ширина запрещённой зоны Eg. Вычисленные пики в спектрах частичных плотностей состояний предсказывают переходы с дефектного уровня в зону проводимости, что согласуется с экспериментальными пиками спектра возбуждения фотолюминесценции. Выявлено, что пики поглощения, а также полоса синей люминесценции при 2,75 эВ обусловлены электронными переходами на кислородных вакансиях. Оценена энергия полярона на кислородной вакансии. Методом квантовохимического моделирования рассчитаны энергетически выгодные пространственные конфигурации комплексов вакансий кислорода в оксидах гафния и циркония. Рассчитаны расстояния между соседними вакансиями. Оценены значения термической и оптической энергий поливакансий кислорода в HfO₂ и ZrO₂, а также рассчитаны пространственные распределения локализованных электронов и дырок на поливакансиях в различных зарядовых состояниях. Измерены вольт-амперные характеристики при различных температурах (I-V-T) для тестовых мемристорных структур Si/TaN/ZrO(x)/Ni и Si/TaN/HfO(x)/Ni с различным обеднением кислорода (параметром стехиометрии) до формовки, в высокоомном, низкоомном состояниях. Определены оптимальные значения x, при которых напряжение формовки не превышает напряжений последующих переключений. Измерены вольт-амперные характеристики тестовых структур при различных температурах. Определенны параметры ловушек в HfO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, включая термическую и оптическую энергию ловушки, эффективную массу. Выявлены механизмы транспорта в “свежих” структурах до формовки, в состояниях с высоким и низким сопротивлением. Реализована физико-математическая модель резистивного переключения. Проведено моделирование процессов формовки и резистивного переключения. Продемонстрирована возможность моделирования переключения как в низкоомное, так и в промежуточное состояния. Получены распределения температурного поля и концентрации дефектов вокруг филамента до и во время резистивного переключения. Сделан вывод об общности процесса формовки мемристоров на основе HfO(x) и ZrO(x). Выделена и сформулирована задача о тепловыделении и распространении тепла при локализации электронов на ловушке в диэлектрике из зоны проводимости и при инжекции носителей заряда из контакта (металлического или полупроводникового). Сравнены решения гиперболического и параболического уравнений теплопроводности в рамках поставленной задачи, обоснована неприменимость параболического уравнения теплопроводности для конкретных значений параметров рассматриваемой системы. Рассчитаны радиальные распределения температурного поля вокруг ловушки после акта локализации носителя заряда, оценена скорость распространения тепловой волны в среде. Оценены условия образования нового дефекта вблизи существующего. Получены предпосылки для доказательства гипотезы коррелированного дефектообразования в оксидных диэлектриках. Проведены численные расчеты на модельной МДМ-структуре с толщиной слоя HfO₂ 10 нм, TaN- и Ni-электродами. Расчёт производился при постоянном напряжении между электродами до тех пор, пока ток не переставал зависеть от времени (что означает достижение квазистационарного состояния). В результате получены динамика распределения температурных полей в объёме диэлектрика, скорость генерации новых вакансий, характер плотности распределения которых описывает формирующуюся филаментарную структуру. Это позволило рассчитать вольт-амперные характеристики мемристивного переключения, включая процесс формовки, при различных начальных и граничных условиях, показано удовлетворительное соответствие результатов расчета с экспериментом. Предложены практические рекомендации к технологическим процессам при изготовлении мемристоров.