МЕМРИСТОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

on
off
Предполагаемая полезная модель относится к устройствам наноэлектроники и может быть использована для создания компьютерных систем на основе мемристорных устройств со стабильными и повторяемыми характеристиками. Мемристорный эффект заключается в реализации двух устойчивых состояний устройства: с низким сопротивлением (R) и высоким сопротивлением (R), соответствующих включенному и выключенному состояниям, переключение между которыми осуществляется путем подачи напряжения определенной полярности.
x
x
x
x
Известно устройство реализующее мемристорный эффект состоит из активного слоя наномасштабной толщины, включающего один или несколько подслоев различного состава, помещенного между токопроводящими электродами, к которым прикладывается управляющее напряжение. В качестве вещества активного слоя используются различные соединения, демонстрирующие мемристорный эффект: TiO, NiO, CuO, HfO (Wong H.S.P. et al // Proc. IEEE. 2012. V. 100. N 6. P. 1951-1970.; Akinaga H., Shima H. // Proc. IEEE. 2010. V. 98. N 12. P. 2237-2251.)
С появлением возможности формирования наноразмерных структур сотрудниками Hewlett-Packard впервые было экспериментально показано, что мемристивный эффект возникает в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля.
Известен сенсорный переключатель электролюминесцентного излучения /Патент РФ №2389132 H03K 17/96 2009 г./ включает в себя первые электроды, один второй электрод, расположенный напротив первых электродов, и ЭЛ слои, каждый из которых размещен между соответствующим одним из первых электродов и вторым электродом. Возбудитель излучения света подает напряжение возбуждения между первыми и вторым электродами, заставляющее ЭЛ слои излучать свет. Генератор сигнала хронирования генерирует сигнал хронирования для управления возбудителем излучения света, в результате чего подача напряжения возбуждения прекращается с заранее определенными интервалами.
Известен мемристор на основе металл-изолятор-металл структуры /Патент РФ №2540237 H01L 21/8247, H01L 27/115 2015/, содержащий первый слой металла, второй слой металла и изолятор, расположенный между слоями металла, при этом второй слой металла выполнен в виде высоколегированной полупроводниковой подложки Si, а изолятор выполнен из твердотельного сплава Si:Me, отличающийся тем, что слой изолятора Si:Me выполнен с заранее заданным профилем концентрации Me по толщине, обеспечивая рост концентрации Me в Si, по направлению от первого электрода в пределах 1-25%.
Известен мемристор на основе смешанного оксида металлов /патент РФ «2524415, H01L 45/00, B82B 1/00 2014/, состоящий из чередующихся слоев, а именно активного слоя, расположенного между двумя токопроводящими слоями, причем активный слой включает смешанный оксид, активный слой состоит из двух подслоев, одним из которых является оксид гафния, а вторым является смешанный оксид, одним из элементов которого является гафний, а вторым - алюминий, а кроме того, между токопроводящим и примыкающим к нему слоем оксида гафния размещен слой оксида рутения, имеющий толщину не менее 0,5 нм, в качестве токопроводящих слоев используется нитрид титана или нитрид вольфрама.
off
on
Одной из основных характеристик мемристорного устройства является отношение соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состояниях (R/R), причем качество устройства тем выше, чем больше эта величина.
2
x
Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для переключения, где в качестве активного слоя используется комбинация подслоев TiO и TiO(x=1.6), а для получения вольт-амперной характеристик данного (ВАХ) устройства используются два электрода: нижний электрод, выполненный в виде золотой пленки, нанесенной на поверхность стеклянной подложки, и верхний электрод, в качестве которого используется зонд сканирующего зондового микроскопа /Ю.В. Храповицкая и др. // Письма в ЖТФ, 2014, том 40, вып. 7, с. 87-95/.
off
on
Предлагаемые устройства обладают двумя недостатками, во-первых, достаточно сложная структура активного слоя, во-вторых, относительно невысоким значением R/R<10.
off
on
Задачей данного изобретения является создание устройства, позволяющего упростить структуру активного слоя мемристорного переключателя и улучшить технический параметр R/R.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в мемристорном переключателе, включающем диэлектрическую подложку с нанесенным на нее электродом в виде проводящей пленки, нанесенный на электрод наноразмерный активный слой, а также второй электрод, выполненный в виде, зонда сканирующего зондового микроскопа, активный слой выполнен в виде пленки фторида лития, содержащей нанокластеры меди.
Схематичное изображение устройства приведено на Фиг. 1. На Фиг. 2 приведены вольт-амперные характеристики устройства.
На поверхности стеклянной подложки 1, предварительно покрытой золотой пленкой 2, используемой в качестве нижнего электрода, стандартным методом термовакуумного парофазного осаждения сформирована композитная пленка 3 из фторида лития, содержащей нанокластеры меди. С этой целью используется серийная коммерческая установка «Вакуумный универсальный пост» ВУП-5. Композитная пленка создается путем одновременного термического испарения навесок меди и фторида лития, ее толщина лежит в диапазоне от 100 до 700 нм. Контроль концентрации нанокластеров меди в пленке осуществляют по интенсивности полосы плазмонного резонанса в области ~330 нм в спектре оптического поглощения образца-свидетеля, полученного на стеклянной подложке без золотого электрода (Ю.В. Гензе, Л.И. Щепина и др. // Известия РАН. Серия физическая, 2015, том 79, №2, с. 217). Второй электрод, выполнен в виде иглы 4 зонда сканирующего зондового микроскопа.
Устройство работает следующим образом:
off
on
off
on
8
7
В высокоомном (выключенном) состоянии сопротивление устройства, измеренное при напряжении U=0,16 В и усредненное по измеренным ВАХ, составляет R=(2,5±0,04)×10 Ом. При увеличении U до напряжения перехода в низкоомное (включенное) состояние, равное 0,67±0,03 В, сопротивление устройства падает до R=(1,5±0,08)×10 Ом, т.е. отношение R/R=17 превышает значения, полученные в прототипе. Данные результаты говорят о том, что предложенное мемристорное переключающее устройство имеет улучшенную эксплуатационную характеристику, при более простой структуре, получаемой с помощью стандартной методики, совместимой с технологиями микроэлектроники.
2
Для установления рабочих параметров устройства измеряются его вольт-амперные характеристики (ВАХ). ВАХ измеряются на воздухе при комнатной температуре методом сканирующей туннельной микроскопии путем подачи напряжения U между нижним электродом 2 и иглой 4 сканирующего электронного микроскопа Solver Р47. Сканирование проводится в токовом режиме с помощью вольфрамовой иглы диаметром 100±15 нм с шагом 300 нм по квадратному элементу 10×10 мкм. Напряжение подается с шагом 0,016 В в диапазоне изменения ±0,8 В.
off
on
off/
on
8
7
Полученная таким образом типичная ВАХ, приведена на Фиг. 2. Из нее видно, что данное устройство обладает биполярным мемристорным эффектом (Фиг. 2а), причем скачок тока составляет почти четыре порядка (Фиг. 2б), что находится на уровне лучших известных образцов. Такие ВАХ получены для 15 элементов, произвольным образом выбранных на поверхности образца. Из этих ВАХ найдено усредненное напряжение перехода из высокоомного состояния в низкоомное, равное 0,67±0,03 В. Сопротивление в высокоомном состоянии, измеренное при напряжении 0,16 В, составило R=(2,5±0,04)×10, Ом, R=(1,5±0,08)×10 Ом, т.е. отношение RR=17 превышает значения, полученные в прототипе.
Данные результаты говорят о том, что предложенное мемристорное переключающее устройство имеет достаточно высокие и стабильные характеристики, при весьма простой методике получения активного слоя, совместимой со стандартными технологиями микроэлектроники.