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 24-79-00069
НазваниеРазработка элементов реконфигурируемого искусственного нейрона на основе смешанного оксида гафния-циркония
Руководитель Ханас Антон Романович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-709 - Нанотранзисторы и другие наноэлектронные приборы элементной базы информационных систем
Ключевые слова нейроморфные устройства, искусственный нейрон, мемристор, мемконденсатор, оксид гафния, сегнетоэлектрик, резистивные переключения
Код ГРНТИ47.33.37
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы успех внедрения нейросетевых алгоритмов в повседневную жизнь очевиден, однако он обеспечивается в основном разработкой программных средств. Форсировать дальнейшее масштабирование технологии можно при условии создания специализированного аппаратного обеспечения, способного ускорять исполнение алгоритмов по сравнению с программной эмуляцией нейросети и существенно сократить энергопотребление для реализации на автономных устройствах без необходимости обращения к удаленным серверам. Для этого необходимо создание элементной базы электронных устройств нового типа, в которых эмуляция функционала нейронов и синапсов осуществляется на физическом уровне. С момента экспериментальной демонстрации мемристоров (резисторов с памятью) в 2008 году разработки электронных синапсов, которые с высокой эффективностью могут эмулироваться мемристорами, ведутся достаточно активно. Однако, количество работ, демонстрирующих электронные нейроны, значительно меньше, и в большинстве работ по электронным синапсам функции нейронов реализуются при помощи внешних генераторов, ПЛИС и т.п.. Значимой преградой на пути создания искусственных нейронов и их интеграции с электронными синапсами является сложность эмуляции нейронного поведения на физическом уровне. Простейшей моделью нейрона является модель "интегрировать-и-сработать с утечкой" (leaky integrate-and-fire, LIF). Она состоит из конденсатора, накапливающего заряд от входных импульсов ("спайков"), порогового переключателя, реализующего механизм выстреливания спайка при превышении порогового напряжения на конденсаторе, и резистора, обеспечивающего стекание заряда в случае, когда порог не был превышен. Для аппаратной реализации LIF-нейрона исследователи обычно концентрируются на разработке порогового переключателя, а емкость и сопротивление или подключаются снаружи, или содержатся в самом устройстве в виде паразитных вкладов (в этом случае их значения фиксированы). В данном проекте предлагается разработать элементы электронного нейрона, пригодные к интеграции в компактное устройство на одной кремниевой подложке, значениями параметров которых можно управлять для изменения режима его работы. Этого предлагается достичь через создание мемконденсатора (конденсатора с памятью) и порогового переключателя на основе одного материала - глубоко интегрированного в микроэлектронную технологию Hf0.5Zr0.5O2 (HZO). Данный материал в виде пленки толщиной около 10 нм проявляет сегнетоэлектрические (СЭ) свойства. Это планируется использовать в структуре металл/СЭ/металл/диэлектрик/сильно легированный полупроводник (п/п) для модуляции ширины слоя пространственного заряда в полупроводнике, экранирующего остаточную поляризацию СЭ. При переключении направления поляризации СЭ, из-за недостатка носителей заряда одного знака в п/п, емкость всего устройства может изменяться в достаточно широком диапазоне, что позволит подстраивать значение мембранной емкости LIF-нейрона и на лету изменять режим его работы под различные задачи. Для интегрирования мемконденсатора в единый нейрон необходимо также разработать пороговый переключатель, структура которого близка к описанной структуре мемконденсатора. Решением данной проблемы является изготовление вставок Ag в форме тонкой пленки или нанокластеров между слоем СЭ и верхним электродом. Такое решение часто практикуется в мемристорах на основе HfO2, однако в случае HZO необходимо адаптировать работу устройства под сравнительно высокую толщину в 10 нм и исследовать взаимовлияние миграции ионов Ag и процесса переключения поляризации, происходящих при сопоставимых напряжениях, что на сегодня еще не было исследовано. Мемконденсаторы предложенной структуры на основе HZO также еще не были продемонстрированы, как и возможность подстройки режима работы электронного нейрона на лету через модуляцию его мембранной емкости. Таким образом, выполнение данного проекта может быть значимым шагом вперед на пути к созданию энергоэффективных нейроморфных процессоров.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) В области разработки мемконденсатора со структурой МСМДП
Был отработан техпроцесс создания структур металл/сегнетоэлектрик(СЭ)/металл (МСМ) на основе Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) толщиной 10 нм с использованием слоев TiN толщиной 50 нм (выращенных методом магнетронного распыления) в качестве электродов. Быстрый термический отжиг (БТО) МСМ-структур при температуре 450 С в течение 30 с в атмосфере аргона позволяет обеспечить кристаллизацию слоя HZO в сегнетоэлектрическую фазу и получить значение остаточной поляризации Pr = 14 мкКл/см2.
Также был отработан процесс создания МДП-структур на основе термического окисления сильно легированного p-Si (толщина окисла от 4 до 22 нм) и обеспечения омического контакта через высокотемпературный отжиг (>500 C) слоя Al на Si. В экспериментальных измерениях вольтфарадных характеристик данных МДП-структур достигнута модуляция емкости до 11,5%.
Путем численных расчетов методом поверхностного потенциала в низкочастотном приближении было подобрано оптимальное значение толщины оксида в МДП-структуре в 15 нм, обеспечивающее наилучшую модуляцию емкости при низких токах утечки через оксид.
2) В области разработки порогового переключателя на основе миграции Ag
Были изготовлены мемристоры со структурой Ag/HZO(10 нм)/TiN в различных конфигурациях: с осаждением Ag методами импульсного лазерного осаждения (ИЛО) и электронно-лучевого испарения (ЭЛИ); с аморфным или поликристаллическим (кристаллизованным путем БТО) HZO; с опцией отжига Ag. Было обнаружено, что в случаях использования аморфного HZO и одного отжига полной структуры после ЭЛИ Ag наблюдаются энергонезависимые филаментарные резистивные переключения (“с памятью”), однако с кардинальными отличиями: полярность переключений противоположна (включение, т.е. переход в состояние с повышенной проводимостью, мемристоров на основе аморфного HZO происходит при приложении положительного напряжения к Ag электроду), отличается плавность переключений (в случае аморфного HZO переключения происходят в один или несколько резких шагов, в то время, как для образца с совместным отжигом ЭЛИ-Ag/HZO промежуточных состояний много), а также исходное состояние ячейки (мемристоры на основе аморфного HZO, как и в подавляющем большинстве случаев, изначально находятся в высокоомном состоянии, а мемристоры с совместным отжигом ЭЛИ-Ag/HZO - в низкоомном и испытывают эффект “деформовки”, т.е. первое выключение с возможностью последующего циклирования). В случаях осаждения Ag методами ИЛО и ЭЛИ на кристаллизованный (отожженный) HZO наблюдаются нестабильные энергозависимые пороговые переключения, не вполне пригодные для реализации на их основе искусственных нейронов. В мемристорах на основе совместно отожженных структур ИЛО-Ag/HZO стабильность пороговых переключений была улучшена, однако их параметры все еще не оптимальны для нейроморфных применений. Было обнаружено, что двухступенчатый отжиг - при температуре 550 С в течение 30 с для кристаллизации HZO до осаждения Ag, а также при температуре 350 С в течение 60 с после ИЛО Ag - обеспечивает оптимальные параметры пороговых переключений для реализации искусственных нейронов: низкие токи в выключенном состоянии (ниже 10 пА), высокое отношение токов во включенном и выключенном состояниях (не менее 10^6), резкие переключения в один шаг.
Также был исследован синтез наночастиц Ag на поверхности HZO методом ИЛО, позволяющим проводить процесс при комнатной температуре и управлять размером наночастиц через количество лазерных импульсов осаждения, который будет использован для дальнейшего улучшения параметров пороговых переключений в мемристорах на основе структур Ag/HZO.