Структура с резистивным переключением
STRUCTURE WITH RESISTIVE SWITCHING

В последнее время значительный интерес привлекают структуры с резистивными переключениями, для которых значение электросопротивления при нулевом токе управляется величиной и знаком предварительно приложенного напряжения. Впервые такие структуры были рассмотрены теоретически как четвертый недостающий элемент электротехники, наряду с резистором, емкостью и индуктивностью (L.О. Chua, IEEE Trans. Circuit Theory 18, 507-519 (1971)). Предполагается использование таких систем для нейроморфных вычислений и хранения информации.
6
3
2
Известно устройство, представляющее собой слоистую структуру металл-диэлектрик-металл с резистивными переключениями [А.С. Веденеев, В.А. Лузанов, В.В. Рыльков, Эффекты монополярного резистивного переключения в тонких слоях алмазоподобного углерода Письма в ЖЭТФ, 109, с. 170 (2019)] - прототип, включающее два платиновых электрода с тонким (20 нм) слоем алмазоподобного углерода (diamond-like carbon - DLC) между ними. При приложении напряжения между электродами возникают резистивные переключения из высокоомного в низкоомное состояние и обратно при достижении напряженности электрического поля в диэлектрике 10 В/см, которые объясняются сменой типа гибридизации (sp→sp) локальных углеродных областей. Таким образом, данная структура Pt/DLC/Pt демонстрирует эффект резистивных переключений.
6
Недостатком устройства-прототипа является необходимость использования высоких напряженностей электрического поля 10 В/см в тонком (20 нм) слое диэлектрика, что грозит необратимым пробоем диэлектрика и выходом прибора из строя, и, по сути, ограничивает количество рабочих циклов переключения из высокоомного в низкоомное состояние и обратно.
Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении системы с резистивными переключениями, где переключения происходят при малых напряженностях электрического поля.
Поставленная задача решается тем, что в системе резистивных переключений, включающей два металлических электрода и слой диэлектрика, в качестве диэлектрика используется пленка аморфной сурьмы, а электроды нанесены на одну сторону пленки.
Для тонких (10-20 нм) пленок сурьмы, полученных при небольшой скорости конденсации (0.5 А/с), наблюдается характерная для аморфных пленок коагуляция частиц конденсата. Коагулированные конгломераты конденсированных частиц имеют типичные размеры от 300 нм до 1 мкм, что подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями. В силу наличия таких конгломератов, аморфные тонкие пленки сурьмы обладают перколяционной структурой протекания электрического тока, т.е. ток протекает неоднородно, концентрируясь в проводящих участках сложной формы (перколяционных кластерах). Изменение структуры перколяционных кластеров под воздействием приложенного напряжения смещения является основой для создания принципиально новой системы резистивных переключений.
4
Сопротивление перколяционной структуры при нулевом напряжении определяется самой высоко резистивной областью перколяционного кластера. Известно, что аморфные пленки сурьмы имеют отдельные кристаллические включения, что подтверждается структурными (атомно-силовыми, электронно-микроскопическими) исследованиями. Попадая в высокорезистивную область, такое кристаллическое (проводящее) включение слабо связано с соседними проводящими областями. При приложении большого напряжения между электродами такое кристаллическое включение будет заряжаться при одном знаке тока и разряжаться при другом, причем этот процесс носит характер пробоя промежутка до ближайшей проводящей области и требует приложения конечного напряжения пробоя к промежутку. Состояние такого малого кристаллического включения заряжен/незаряжен определяет конфигурацию высокорезистивных областей в образце, т.е. значение сопротивления образца при нулевом напряжении смещения. Использование для реализации резистивных переключений изменения перколяционной структуры протекания тока в силу процессов перезарядки отдельных малых проводящих областей позволяет снизить напряженность электрического поля на два порядка, до 10 В/см и избежать деградации образца при множественных циклах переключений.
Пример исполнения устройства показан Фиг. 1 а), где 1 - тонкая пленка аморфной сурьмы, 2 - контакты из алюминия, расстояние между которыми составляет 20 мкм, нанесенные методом холодной ультразвуковой микросварки, 3 - стеклянная подложка. Фиг. 1 б) демонстрирует фотографию устройства, вид сверху, где 1- тонкая пленка, 2 - контакты.
На Фиг. 2 показан график зависимости дифференциальной проводимости dl/dV (величина, обратная дифференциальному сопротивлению) от электрического напряжения V, приложенного к образцу. Напряжение V на графике меняется от +10 В до -10 В и обратно, от -10 В до +10 В, направление изменения напряжения кривых на графике показано стрелками.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Между металлическими контактами плавно прикладывается напряжение до 10 В, после чего напряжение снимается и дифференциальное сопротивление образца принимает определенное стабильное значение. При вводе напряжения другой полярности -10 В и снятии напряжения, дифференциальное сопротивление принимает другое стабильное значение. Разница между этими значениями обозначена на Фиг. 2 величиной Δ(dl/dV). Оба значения стабильны в течение длительных (более трех часов) промежутков времени и хорошо воспроизводимы при множественных циклах изменения напряжения.