Immagine al microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (a) e schematica (b) della sezione trasversale della struttura memristiva multistrato nella regione del filamento conduttore (CF), la dipendenza degli stati resistivi dal numero di cicli di commutazione e una fotografia del chip memristivo con microdispositivi memristivi (c) Credito:Università Lobachevsky
Gli scienziati dell'Università Lobachevsky hanno implementato una nuova variante del dispositivo memristivo all'ossido di metallo, che promette l'uso in RRAM (memoria ad accesso casuale resistivo) e nuovi sistemi di elaborazione, compresi quelli neuromorfici.
La variabilità (mancanza di riproducibilità) dei parametri di commutazione resistivi è la sfida chiave sulla strada per nuove applicazioni di dispositivi memristivi. Questa variabilità dei parametri nelle strutture dei dispositivi "metallo-ossido-metallo" è determinata dalla natura stocastica del processo di migrazione dello ione ossigeno e/o dalle vacanze di ossigeno responsabili dell'ossidazione e della riduzione dei canali conduttivi (filamenti) vicino all'interfaccia metallo/ossido . È inoltre aggravato dalla degradazione dei parametri del dispositivo in caso di scambio di ossigeno incontrollato.
Gli approcci tradizionali al controllo dell'effetto memristivo includono l'uso di speciali concentratori di campo elettrico e l'ingegnerizzazione di materiali/interfacce nella struttura del dispositivo memristivo, che in genere richiedono un processo tecnologico più complesso per la fabbricazione di dispositivi memristivi.
Secondo Alexey Mikhaylov, capo del laboratorio UNN PTRI, Gli scienziati di Nizhny Novgorod hanno utilizzato per la prima volta nel loro lavoro un approccio che combina i vantaggi dell'ingegneria dei materiali e dei fenomeni di auto-organizzazione su scala nanometrica. Implica una combinazione dei materiali degli elettrodi con una certa affinità per l'ossigeno e diversi strati dielettrici, così come l'autoassemblaggio di nanocluster metallici che fungono da concentratori di campo elettrico.
"Questo approccio non richiede operazioni aggiuntive nel processo di fabbricazione di tali dispositivi e dimostra un risultato praticamente importante:la stabilizzazione della commutazione resistiva tra stati resistivi non lineari in una struttura del dispositivo multistrato basata su film di biossido di zirconio stabilizzato con ittrio con una data concentrazione di ossigeno e strati aggiuntivi di ossido di tantalio, " spiega Alexey Mikhaylov.
A seguito di uno studio completo della struttura e della composizione dei materiali da parte degli scienziati dell'Università Lobachevsky, è possibile interpretare il risultato ottenuto in base al concetto di formazione di filamenti con parte conduttiva centrale nello ZrO 2 (Y) film e trasformazioni strutturali riproducibili tra un TaO . simile al rutilo più conduttivo X fase e il dielettrico Ta 2 oh 5 fase nel film di ossido di tantalio sottostante sotto riscaldamento Joule dell'area locale vicino al filamento.
La presenza di bordi di grano in ZrO 2 (Y) come siti di nucleazione preferiti per i filamenti, la presenza di nanocluster come concentratori di campo nel Ta 2 oh 5 film, e lo scambio di ossigeno tra gli strati di ossido all'interfaccia con TiN contribuiscono alla stabilizzazione degli stati resistivi.
"È importante notare che la struttura ottimizzata è stata implementata anche come parte del chip memristivo con dispositivi cross-point e cross-bar (dimensioni del dispositivo:20 μm × 20 μm), che dimostrano una commutazione robusta e una bassa variazione degli stati resistivi (meno del 20%), che apre la prospettiva di programmare pesi memristivi in grandi array passivi e la loro applicazione nell'implementazione hardware di vari circuiti funzionali e sistemi basati su memristori. Si prevede che il prossimo passo verso la commercializzazione delle soluzioni ingegneristiche proposte consisterà nell'integrare l'array di dispositivi memristivi con lo strato CMOS contenente i circuiti periferici e di controllo, " conclude Alexey Mikhaylov.
