СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ МЕМРИСТИВНОЙ КОНДЕНСАТОРНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК
METHOD OF CONTROLLING OPERATION OF A METAL-INSULATOR-SEMICONDUCTOR MEMBRANE CAPACITOR STRUCTURE

Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологий, касается способа управления работой мемристивной конденсаторной структуры металл-диэлектрик-полупроводник с помощью освещения, который может быть использован при создании нового поколения устройств энергонезависимой памяти для применения в элементной базе нетрадиционных нейросетевых и квантовых вычислительных систем.
Изучение влияния света на эффект резистивного переключения (мемристивный эффект) является одним из перспективных направлений в связи с возможностью создания элементов резистивной памяти, переключение которых будет контролироваться воздействием света. Элемент резистивной памяти с произвольным доступом (англ.: Resistive Switching Random Access Memory - RRAM, ReRAM), другое название - мемристор (англ.: memristor = memory + resistor) - основа нового поколения устройств энергонезависимой памяти, работа которых осуществляется путем использования двух устойчивых состояний диэлектрика: состояния с высоким сопротивлением (СВС) и состояния с низким сопротивлением (СНС), резистивное переключение (РП) между которыми осуществляется путем приложения внешнего напряжения [Waser R., Aono М. // Nature Mater. - 2007. - V. 6. - P. 833-840]. О важности проведения исследований мемристоров в настоящее время свидетельствует включение этих исследований в Международный план по развитию полупроводниковой технологии (англ: International Technology Roadmap for Semiconductors) [Mickel P.R., Lohn A.J., Marinella M.J. // Mod. Phys. Lett. B. - 2014. - V. 28 (No. 10). - P. 1430003-1 - 1430003-25].
В качестве мемристора используется в основном структура в виде конденсаторов металл - диэлектрик - металл (МДМ) и реже в виде МДП-конденсаторов обычно на проводящей подложке кремния.
Для возникновения СВС и СНС используют, как правило, процесс формовки: приложение к конденсатору напряжения, большего некоторого минимального напряжения (напряжения формовки) и приводящего к существенному изменению электрофизических свойств конденсатора.
Известно лишь несколько работ по попытке получения чувствительного к освещению элемента резистивной памяти. В этих работах описывается эффект влияния света на величины тока и сопротивления при переключении в высокоомное или низкоомное состояние или несколько различающихся по сопротивлению состояний.
Известна транзисторная структура, в которой ток переносится между металлическими истоком и стоком в пленке диэлектрика [P. Maier, F. Hartmann, М. Rebello Sousa Dias at al. Light sensitive memristor with bi-directional and wavelength-dependent conductance control. Applied physics letters. 109, 023501(2016)]. В пленку диэлектрика посредине встроены квантовые точки (КТ). Управление этим током производится с помощью двух металлических затворов, наносимых на поверхность пленки диэлектрика. Захват носителей квантовыми точками обеспечивает изменение тока при освещении и фотопамять. Однако, такая структура является трехэлектродной, то есть отличается от классической конденсаторной структуры мемристора с двумя электродами. Кроме того память управляется зарядом на КТ, который имеет обыкновение со временем стекать.
3
2
4
3
Известна МДМ - структура с фоточувствительным диэлектриком весьма сложного и не разработанного в достаточной мере химического состава (Pt/BaTiO/NiFeO/BaTiO/Au), что уже затрудняет ее производственную реализацию и совместимость с монолитными интегральными схемами на кремнии [ Branimir Bajac,  Goran M.  Photoresistive switching of multiferroic thin film memristors. Microelectronic Engineering. 2017]. В этой работе приводятся вольтамперные характеристики (ВАХ) с гистерезисом по току в темноте и на свету одинакового монотонного вида, но с несколько большими значениями тока при освещении.
Из патента RU 2256957 С2 известны многочисленные двухэлектродные ячейки конденсаторного типа, содержащие слои органических и неорганических материалов, которые запоминают сопротивление после подачи порогового напряжения и уплотняются. Такие структуры представляют собой ячейки памяти и могут управляться как напряжением, так и освещением. Но никаких количественных характеристик для этих ячеек не приводится, как в темноте, так и при освещении.
2
2
2
2
Известно о создании MoS наносферного мемристора с планарными золотыми электродами, который показал переключение сопротивления на свету [Wei Wang, Gennady.N. Panin, Xiao Fu and other. MoS memristor with photoresistive switching. Scietificc Reports, August 2016]. Авторы полагают, что новым устройством может управлять поляризация наносфер MoS, которая вызывает переключение сопротивления в электрическом поле в темноте или под белым освещением небольшой интенсивности из-за возникновения нитей проводимости. Переключение мемристора обеспечивает многоуровневое запоминание. Соотношение сопротивлений в режиме включено и выключено на свету в десять раз больше, чем в темноте. Авторы считают, что у MoS мемристора есть большой потенциал, так как многофункциональное устройство разработано при использовании рентабельных методов изготовления. Однако используемая авторами технология требует высокоомных подложек, например, пластин полупроводника, покрытых толстым диэлектриком. Кроме того планарное расположение электродов и высокоомность слоев мемристора может приводить к сильному влиянию окружающей среды и требует тщательной защиты от влияния последней.
Из патента RU 2580905 С2 известен фотопереключаемый и электропереключаемый органический полевой транзистор, способ его изготовления и его применение в качестве устройства памяти. В качестве устройства памяти, управляемой светом, предлагается органический полевой транзистор с прослойкой фотохромных соединений на границе раздела диэлектрик - полупроводник, что обеспечивает появление заряда и его управление на этой границе, что похоже на работу МНОП-транзистора, применяемого во флеш-памяти. Это устройство технически более сложное, чем классический мемристор и управляется зарядом, который имеет обыкновение стекать по мере времени хранения информации. Как известно, мемристивной памяти не присущ последний недостаток.
6
5
7
6
Известно фотокаталитическое окисление графена с наночастицами ZnO для создания мемристора, чувствительного к освещению [Olesya О. Kapitanoval, Gennady N. Panin At. All. Formation of Self-Assembled Nanoscale Graphene/Graphene Oxide Photomemristive Heterojunctions using Photocatalytic Oxidation. - NANO-113106.R2, 2017] Мемристор создают на основе окисленного кремния с планарными электродами из Au и изменяет свое сопротивление при переключении напряжением в темноте от 4⋅10 (reset) до 5⋅10 (set) Ом и на свету от 1,5⋅10 (RESET) до 3⋅10 (SET) Ом. Виден весьма незначительный эффект влияния света. Кроме того структура такого мемристора отличается от традиционной, что не дает возможности использовать для переключения перекрестья электродов, как это делается в кроссбарах.
Из US 20160370682 А1 известны различные конструкции и материалы для синаптических наноприборов, чувствительных к свету, на основе чередующихся слоев металлов, диэлектриков и полупроводников. Предлагаются планарные конструкции, когда чувствительная к освещению пленка (в том числе многослойная) располагается на подложке окисленного кремния и конденсаторные структуры со светочувствительным материалом между металлическими обкладками. Никаких конкретных характеристик приборов: формовки, переключения и памяти в темноте и на свету в документе не приведено.
Из публикации WO 2016171700 А1 от 27.10.2016 известны устройства с оптическим запоминанием, которые могут быть использованы в оптических программирующих устройствах. Для примера приведем предполагаемый в документе принцип действия одного из таких устройств. В металлический волновод, заполненный полупроводником с перегородками из мемристивного диэлектрика, ток через который управляется напряжением на обкладках МДМ конденсатора и, таким образом, проходящий по полупроводнику электромагнитное излучение может контролироваться состоянием мемристора (SET и RESET) и количеством переведенных в эти состояние мемристоров. В публикации не представлены практические результаты осуществления предлагаемых идей.
x
2
x
Из патента US 8542518 В2, от 24.09.2013 известен фоторезистивный мемристивный элемент с похожим механизмом действия, основанный на двухслойном наноконденсаторе со структурой Pt/TiO/TiO/Pt. Фоточувствительность в этом элементе обусловлена изменением сопротивления диэлектрической пленки TiO при освещении. Однако, известно, что диэлектрики менее чувствительны к воздействию света по сравнению с полупроводниками и могут быть весьма инерционными из-за наличия в них большой концентрации ловушек для электронов, в патенте приводятся очень небольшие эффекты воздействия света. Также, предлагаемая фоточувствительная ячейка плохо встраивается в планарно-эпитаксиальную технологию интегральных схем на кремнии и весьма ограничена в подборе материала диэлектрических слоев. В МДП-конденсаторе, при наличии потенциального барьера в полупроводнике, который легко получить, при освещении возникает разделение фотоэлектронов и фотодырок, которое определяет высокое быстродействие и фоточувствительность полупроводника. Также в p-n переходе имеется потенциальный барьер с аналогичными эффектами. Предлагаемая ячейка является весьма универсальной в отношении выбора технологий и материалов для ее изготовления и легко встраивается в планарно-эпитаксиальную кремниевую технологию изготовления интегральных схем и аналогичные технологии на основе других полупроводниковых материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому изобретению является способ резистивного переключения в МДП-структурах на основе кремния, стимулированного светом, раскрытый в статье «Стимулированное светом резистивное переключение в структурах металл-диэлектрик-полупроводник на основе кремния» (Тихов С.В., Горшков О.Н., Коряжкина М.Н., Антонов И.Н., Касаткин А.П. // ПЖТФ. Т. 10. 2016. С. 78-86), принятый за ближайший аналог (прототип).
2
2
3
15
2
В способе по прототипу осуществляют резистивное переключение в МДП-структурах на основе кремния, стимулированное светом. В качестве диэлектрика в этих структурах используют один из high-k-диэлектриков - диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия ZrO (YO) - YSZ (Yttria-stabilized zirconia). Освещение осуществляют несфокусированным светом от галогенной лампы мощностью 50 Вт (соответствует плотности потока квантов (ППК) ~ 10фотонов/см⋅с). Такое освещение уменьшает сопротивление области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника и увеличивает падение напряжения на диэлектрике, что приводит к образованию проводящих шнуров в диэлектрике. Однако такое освещение вызывает только формовку диэлектрика и в дальнейшем не влияет на характеристики переключения.
В задачу изобретения положено создание способа управления работой мемристивной конденсаторной МДП-структуры, основанном на регулируемом изменении сопротивления полупроводниковой обкладки конденсатора под действием света высокой интенсивности, и тем самым, на плавном изменении падения напряжения на пленке диэлектрика.
Техническим результатом является расширение предела сопротивлений в низкоомном и высокоомном состояниях, снижение вероятности ошибки при считывании состояния мемристора. Освещение также уменьшает последовательное сопротивление мемристора, что существенно увеличивает быстродействие при считывании высокоомного состояния. Световое управление работой мемристивной структуры расширяет спектр технических применений резистивной памяти.
15
17
-3
18
21
2
Это достигается тем, что способ управления работой мемристивной конденсаторной структуры металл - диэлектрик - полупроводник, в котором диэлектрик и полупроводник включены последовательно по отношению друг к другу, при этом диэлектрик выполнен из не светочувствительного материала, а полупроводниковая подложка выполнена из светочувствительного материала, содержащего легирующую примесь в концентрациях 10÷10 см, обеспечивающего соизмеримость емкостей или проводимостей диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника с отсутствием фиксации уровня Ферми на границе раздела диэлектрика и полупроводника, путем регулирования напряженности электрического поля и величины тока в диэлектрике при его формовке и переключении за счет изменения сопротивления полупроводниковой подложки из-за изменения емкости и проводимости области пространственного заряда в полупроводнике с помощью освещения светом высокой интенсивности 10÷10 фотонов/см⋅с структур со стороны металлического электрода и диэлектрика в области собственной фоточувствительности обкладки полупроводника.
На фиг. 1 представлен схематический разрез и химический состав мемристивных структур, где: а) МДП-планарная структура; б) МДМ-структура; в) МДП-меза структура.
с
v
сд
vд
На фиг. 2 представлен примерный вид равновесных энергетических диаграмм, где: а) планарная структура на Si; б) МДП-меза структура на GaAs. На фигуре обозначены: Е и E - энергии, соответствующие дну зоны проводимости и потолку валентной зоны полупроводника; Е и Е - энергии, соответствующие дну зоны проводимости и потолку валентной зоны для диэлектрика, F - уровень Ферми (энергия Ферми).
2
-3
2
На фиг. 3 представлены ВАХ структуры Au/Zr/YSZ/Sb/SiO/n-Si, полученные в случае скорости развертки по напряжению 0,18 В/с. Площадь конденсатора S ≈ 2⋅10 см. Стрелками показано направление развертки по напряжению: кривая 1 - в темноте; кривая 2 - на свету. ИС - исходное состояние структуры до формовки.
-3
2
На фиг. 4 представлены ВАХ МДП-конденсатора с пленкой YSZ толщиной 40 нм, измеренные при длительности развертки напряжения 0,18 В/с. Площадь конденсатора S ≈ 10 см. Кривые 3, 4 - в темноте, кривые 5, 6 - при освещении сфокусированным светом от галогенной лампы 40 Вт. Стрелками указано направление изменения напряжения переключения из СВС в СНС. Пунктирные кривые показывают воспроизводимые после переключения ВАХ в СНС.
-3
2
На фиг. 5 представлены ВАХ МДП-конденсатора с пленкой YSZ толщиной 40 нм, измеренные при длительности развертки напряжения 0,18 В/с. Площадь конденсатора S ≈ 10 см. Кривые 7, 8 - в темноте, кривые 9, 10 - при освещении сфокусированным светом от галогенной лампы 40 В.
На фиг. 6 представлены кривые переключения ВАХ МДМ-конденсатора с пленкой YSZ с разными ограничивающими токами 0,1; 1; 10 мА в низкоомное состояние - кривые 11, 12, 13 соответственно и в высокоомное состояние - кривая 14. Знак напряжения указан для золотого электрода. При V>0 переключение в СВС происходит только в отсутствие ограничения тока. Ток переключения в этом случае составляет 100 мА.
-4
2
На фиг. 7 представлены ВАХ МДП-меза структуры с p-n переходом на GaAs площадью 4,9⋅10 см. Кривая 15 - в высокоомном исходном состоянии в темноте, 16 - после переключения в низкоомное состояние в темноте, 17 - в низкоомном состоянии при освещении красным светом мощностью в 1,5 Вт лазером (LSR-660).
На фиг. 8 представлена кинетика воздействия лазерного импульса на ток в МДП-меза структуре при -1 В в проводящем состоянии (set) при разных интенсивностях света. Мощность (Р), Вт: кривая 18-1,5; кривая 19 - 0,58.
Предлагаемый способ управления работой мемристивной конденсаторной МДП-структуры осуществляют следующим образом.
18
21
2
Способ осуществляют с использованием мемристивных конденсаторных МДП-структур на кремнии или арсениде галлия с использованием меза-структур с p-n переходом, обращенным к диэлектрику р-областью (т.е. диэлектрик и полупроводник включены последовательно по отношению друг к другу). Структуры освещают светом высокой интенсивности 10÷10 фотонов/см⋅с со стороны металлического электрода и диэлектрика в области собственной фоточувствительности обкладки полупроводника. Освещение вызывает появление формовки из-за падения сопротивления полупроводниковой обкладки и увеличения падения напряжения на диэлектрике и протекания через него тока, необходимого для формовки (появление проводящих нитей или иначе филаментов), шунтирующих МДП-конденсатор. ВАХ таких структур после формовки демонстрируют эффекты резистивного переключения и памяти, т.е. появляется резистивное переключение в темноте, которое можно регулировать освещением.
Обязательным условием осуществления предлагаемого способа является использование мемристивных конденсаторных МДП-структур, в которых:
- диэлектрик и полупроводник включены последовательно по отношению к друг другу;
- диэлектрик выполнен из материала, не являющегося светочувствительным;
- полупроводниковая обкладка содержит чувствительную к свету область, с помощью освещения которой при данном напряжении переключения можно варьировать ток через диэлектрик, как в проводящем состоянии, так и в исходном высокоомном состоянии (формовка);
- содержание мелкой примеси в полупроводнике и плотность поверхностных состояний (ПС), обеспечивает соизмеримость емкостей или проводимостей диэлектрика и ОПЗ полупроводника, и, во-вторых, с получением структур с низкой плотностью ПС на границе диэлектрик-полупроводник для устранения фиксации (пининга) уровня Ферми на этой границе.
Управление работой мемристивной структуры (мемристора) осуществляют путем регулирования напряженности электрического поля и величины тока в диэлектрике при ее формовке и переключении за счет изменения сопротивления полупроводниковой подложки из-за изменения емкости и проводимости области пространственного заряда в полупроводнике с помощью изменения освещения через практически прозрачные для света металлический электрод и диэлектрик длиной волны 660 нм, которая возбуждает в полупроводнике собственный фотоотклик и понижает потенциальный барьер на границе с диэлектриком и в p-n переходе. Область собственной фоточувствительности простирается от коротких длин волн 400 нм до 1130 нм для кремния и от 400 нм до 870 нм для арсенида галлия.
Увеличение проводимости или рост емкости вызывает перераспределение напряжения, прикладываемого к мемристору на диэлектрик, убирая ограничение тока через него и тем самым вызывая его формовку или переключение.
+
+
+
Для осуществления наиболее эффективного переключения сопротивление и емкость диэлектрика и приповерхностной области полупроводника должны быть сравнимы. Таким образом, с помощью полупроводниковой обкладки создают зависимое от освещения последовательное сопротивление или емкость, которые ограничивают ток через диэлектрик. Ограничение тока уменьшает число переключающихся филаментов и таким образом уменьшает ток в проводящем состоянии. При освещении возрастает падение напряжения на диэлектрике, что вызывает формовку или увеличение напряжения переключения на диэлектрике. Увеличение числа переключающихся филаментов в последнем случае увеличивает ток в проводящем состоянии. Область спектральной чувствительности этого эффекта соответствует таковой для полупроводника, а ее абсолютная величина и быстродействие определяется наличием потенциального барьера в полупроводнике. Это может быть, например, обедненный основными носителями заряда слой у поверхности полупроводника, граничащий с диэлектриком или p-n переход, обращенный p-областью к диэлектрику. Диэлектрики, используемые в мемристорах, обычно не чувствительны к свету в видимой и инфракрасной области спектра. Фоточувствительность в предлагаемом изобретении определяется фоточувствительностью ОПЗ полупроводника. Для повышении эффективности влияния света на переключение необходимо уменьшить или вовсе исключить влияние захвата свободных носителей, уменьшающий ток в полупроводнике при освещении. Последняя задача может быть решена созданием не симметричного p-n перехода, обращенного сильно легированной p-областью к диэлектрику. Это обуславливается тем, что сильно легированная область полупроводника подобна металлу и практически не содержит ПС, а металлургическая граница областей p и n в p-n переходе также не содержит этих состояний из-за высокого совершенства, так как формируется методом гомоэпитаксии.
Спектральную палитру фоточувствительности можно изменять подбором соответствующих полупроводниковых материалов. В InSb, например, собственные отклик или фотопроводимость могут ограничиваться со стороны коротких длин волн значением 12,3 мкм. Применение разных полупроводниковых обкладок дает возможность использовать для влияния на резистивное переключение очень широкий диапазон длин волн света от 13 мкм до 400 нм.
Таким образом, предлагаемое изобретение, обеспечивает расширение предела сопротивлений в низкоомном и высокоомном состояниях, что в свою очередь влияет на уменьшение вероятности ошибки при работе в режиме считывания записанной информации, расширение спектрального диапазона воздействия света. Освещение также уменьшает последовательное сопротивление мемристора, что существенно увеличивает быстродействие при считывании высокоомного состояния. Световое управление резистивной памятью в диэлектрике расширяет спектр технических применений резистивной памяти.
Предлагаемое изобретение делает возможным создание светочувствительных матриц для нейронных цепей и развитие технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти. Отдельные элементы такой матрицы представляют собой МДП-конденсаторы, которые формуются и переключаются под воздействием света и напряжения.
Предлагаемый способ отличается от описанных в качестве прототипов, как по структуре мемристорной ячейки в качестве которой используют, в том числе меза-структуру с p-n переходом, так и по типу реализации влияния освещения, основанном на регулируемом изменении сопротивления полупроводниковой обкладки конденсатора под действием света высокой интенсивности, и тем самым, на плавном изменении падения напряжения на пленке диэлектрика. В этих структурах используют материалы, технология получения которых (и рисунков интегральных схем) хорошо разработана и совместима с широко распространенной планарно-эпитаксиальной технологией на кремнии.
Ниже представлены примеры конкретного осуществления предлагаемого способа.
Пример 1.
2
Управление работой мемристора планарной структуры с обедненным слоем на границе раздела диэлектрик-полупроводник Au/Zr/YSZ/Sb/SiO/n-Si.
2
2
2
3
Для структуры, схематическое изображение которой представлено на фиг. 1а в качестве полупроводниковой обкладки используют монокристаллические пластины n-Si (КЭФ-4.5) с кристаллографической ориентацией (100), покрытые туннельно - тонким слоем SiO. На этот слой осаждают слой Sb толщиной ~ 2 нм МОС-гидридным методом из источника триметилсурьмы в атмосфере водорода при температуре 450°С. Оксид SiO создают последовательной обработкой поверхности Si в плавиковой кислоте, а затем - в смеси серной кислоты с перекисью водорода. На эту подложку осаждают слой YSZ (12 мол. % YO) толщиной 40 нм методом ВЧ-магнетронного распыления при температуре 300°С на установке 2g1-1g2-eb4-th1 Torr International. Полученную таким образом структуру кратковременно отжигают (2 мин) в атмосфере аргона при температуре 450°С. Используемый способ получения оксида, последующее нанесение на него слоя сурьмы и термический отжиг позволяют создать поверхность Si с относительно низкой плотностью поверхностных состояний (ПС) и с наличием на ней областей концентраторов электрического поля для образования филаментов. После отжига на поверхность слоя диэлектрика осаждают полупрозрачные для освещения верхние электроды из Au толщиной 20 нм (с подслоем из Zr толщиной 3 нм для улучшения адгезии) методом магнетронного распыления на постоянном токе. Омический контакт к кремниевой обкладке создают вжиганием электрическим разрядом металлической фольги Sn (10%Sb). Примерный вид равновесной энергетической диаграммы структуры приведен на фиг. 2а. Наличие обеднения приповерхностного слоя в полупроводнике на границе раздела с диэлектриком определяют по знаку сильносигнальной барьерной фотоЭДС (оно соответствует значению потенциального барьера ≈ 0,3 В). [Применение метода сильносигнальной конденсаторной фотоЭДС для определения некоторых параметров. С.В. Тихов.//ФТП.1995.29. вып. 4. стр. 742-749].
18
2
2
18
2
Затем проводят измерение ВАХ структуры на Si при напряжении V<0 на Au (определяется относительно полупроводниковой обкладки) в темноте и при освещении (фиг.3). Все измерения ВАХ проводят на анализаторе полупроводниковых приборов Agilent В1500А. Освещение фокусированным светом производят с помощью галогенной лампы накаливания электрической мощностью 40 Вт. Мощность светового потока от этой лампы составляет ≈ 1,2 Вт. Максимум светового излучения наблюдается на длине волны 660 нм и соответствует потоку квантов ≈ 4,2⋅10 фотонов/смс в сфокусированном пятне 1 см. То есть плотность потока квантов, падающего на структуру составляет 4,2⋅10фотонов/смс. Интенсивность излучения (величину ППК) уменьшают с помощью нейтральных фильтров.
Исследуют влияние освещения на процесс формовки диэлектрика в МДП-структуре. Как известно в МДП-структурах поданное напряжение V делится между полупроводником и диэлектриком ввиду их последовательного соединения [В.Н. Овсюк. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. (Новосибирск, Наука, Сиб. отд-ние, 1984), с. 252.]. На фиг. 3 видно, что в темноте ток I мал (кривая 1) и практически не зависит от напряжения. Формовка не происходит. Это можно объяснить преимущественным падением напряжения на обедненной электронами ОПЗ на поверхности полупроводника, граничащей с диэлектриком. Это состояние может быть практически стационарным, если есть утечка дырок из полупроводника в диэлектрик [F.H. Hielsher, Н.М. Preier. Solid-State Electronics, 12, 527-538, 1969].
Освещение галогенной лампой вызывает появление формовки. При освещении концентрация электронов и дырок резко возрастает, сопротивление ОПЗ падает, а емкость возрастает, и напряжение перераспределяется с полупроводника на диэлектрик. Плотность тока, протекающего через диэлектрик, в этом случае оказывается достаточной для формовки диэлектрика и образования филаментов. Ток через диэлектрик возрастает и далее сохраняет значение, соответствующее низкоомному состоянию (СНС) диэлектрика (кривая 2). Последующее измерение ВАХ воспроизводит при освещении кривую, соответствующую состоянию СНС.
На фиг. 4 проиллюстрировано последующее после формовки диэлектрика переключение в темноте и на свету для МДП-структуры на Si при напряжении V<0 на Au. Кривые 3 и 5 при переключении из СВС в низкоомное состояние в темноте и при освещении соответственно. Кривые 4 и 6 в СНС в темноте и при освещении соответственно. Видно, что освещение уменьшало ограничивающее действие слоя сопротивления обедненного основными носителями заряда слоя в полупроводнике, увеличивало ток в СНС и уменьшало пороговое напряжение переключения из СНС в СВС (сравнить кривые 3 и 5).
Особенностью кривых формовки и переключения мемристивных МДП-структур является практическое совпадение токов в исходном состоянии (ИС) и СВС в темноте и на свету. Это обстоятельство можно объяснить высоким сопротивлением полупроводника и его слабой зависимостью от освещения и захватом носителей на ПС.
На фиг. 5 демонстрируется влияние освещения на кривые биполярного переключения планарной структуры. Возрастание токов при переключении на свету обусловлено уменьшением величины последовательного сопротивления конденсатора за счет уменьшения ограничивающего сопротивления обкладки полупроводника (сравнить кривые 7, 8 и 9, 10). Видно, что при обеих полярностях переключения ток на свету в состоянии СНС превышает соответствующий ток в темноте на 2 порядка величины. При освещении также на два порядка возрастает кратность отношения тока в состоянии СНС по отношению к состоянию СВС. Установлено, что уменьшение ограничивающего сопротивления обкладки полупроводника также приводит к увеличению быстродействия мемристоров за счет уменьшения величины RC.
Пример 2.
Управление работой МДМ-мемристора со структурой Au/Zr/YSZ/TiN на подложке из кремния.
2
2
-3
2
МДМ-структуру (фиг. 1б) формируют на подложке Si(001), покрытой слоем SiO толщиной ≈0,5 мкм, поверх которого наносят нижнюю обкладку конденсатора площадью ~ 1 см из слоя TiN (25 нм) с подслоем Ti (25 нм). Методика получения слоя YSZ и верхней обкладки (площадь ~10 см) не отличалась от описанной выше для МДП-конденсатора.
О важном значении величины напряжения и переключающих токов в диэлектрике (которые в случае МДП-структуры можно регулировать состоянием полупроводниковой обкладки) свидетельствуют зависимости, представленные на фиг. 6. Из ВАХ переключения этих зависимостей видно, что ограничение величины переключающего тока приводило к уменьшению тока в проводящем состоянии мемристора (фиг. 6, кривые 11-13). Это было обусловлено последовательным включением омического сопротивления в цепь мемристора, уменьшающего ток и подтверждает предложенный выше механизм влияния освещения, связанный с увеличением напряжения и тока через диэлектрик из-за уменьшения сопротивления обкладки полупроводника.
Пример 3.
Управление работой МДП-мезаструктуры с p-n переходом, обращенным проводящей областью p-типа к диэлектрику, Au/Zr/YSZ/p-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs/Sn/.
+
17
-3
19
-3
+
+
2
0
0
0
0
i
Структуру, показанную на фиг. 1в, формируют на основе монокристаллических пластин n-GaAs с ориентацией (001) со слоями n-GaAs толщиной ~1 мкм с равновесной концентрацией электронов n, равной 10см и p-GaAs толщиной ~0,1 мкм с равновесной концентрацией дырок p, равной 1⋅10 см, полученных методом МОС - гидридной эпитаксии. Пленки YSZ наносят на поверхность, образованную магнетронным методом при температуре подложки 200°С. Толщина диэлектрических слоя составляет 40 нм. Управляющий прозрачный для света металлический электрод из Au (толщиной 20 нм) с подслоем Zr (толщиной 3 нм) для улучшения адгезии наносят на поверхность диэлектрика методом магнетронного распыления на постоянном токе. Арсенид галлиевый p-n переход формируют в подложке для устранения влияния ПС высокой плотности, которые могут формироваться на границе раздела диэлектрик - GaAs [Н.Л. Дмитрук. Известия Вузов СССР. Физика, Вып. 1, 38 (1980). В.И. Белый, В.Р. Белослудов. В кн. Современные проблемы физики и химии поверхности полупроводников. Новосибирск (1988)]. Сильно легированный слой p-GaAs ведет себя подобно металлу и не содержит ПС на границе с диэлектриком, а граница раздела p-GaAs-n-GaAs не содержит ПС, ввиду ее гомоэпитаксиальности. Для устранения утечки по p-слою создавали меза-структуру и облучали границу p-n перехода в ней протонами с энергией 50 кэВ и дозой 10 мкКл/ см для получения изолирующего слоя (С.В. Тихов, В.В. Мартынов, А.Н. Калинин, Е.И. Зорин. Влияние протонного облучения на свойства структуры металл (Au) - анодный окисел - арсенид галлия. Известия ВУЗов. Физика. 1983, №5, стр. 89-92). Значение контактной разности потенциалов в переходе рассчитывали по формуле  [К.В. Шалимова. Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985. - 392 с.], где k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, q - заряд электрона, р и n - концентрации равновесных дырок и электронов, n-концентрация собственных носителей в GaAs и составило 1,3 В. Омическтй контакт к n+GaAs создается вжиганием в него электрическим разрядом фольги из Sn.
Примерный вид равновесной энергетической диаграммы МДП меза-структуры с p-n переходом показан на фиг. 2, б.
2
18
21
2
Меза-структуру освещают красным лучом от лазера LSR-660 1500 (длина волны 660 нм, мощность излучения 1,5 Вт) полоской площадью 5 мм потоком фотонов ≈ 3⋅10 в секунду (ППК ≈ 6⋅10 фотонов/ см⋅с). Интенсивность излучения (величину ППК) уменьшают с помощью нейтральных фильтров.
Воздействие лазерного облучения на токи в проводящем состоянии для меза-структуры приведено на фиг. 7 и 8. Оно характеризуется значительным эффектом: значения тока на свету на 4 порядка величины превышают аналогичные в темноте (фиг. 7, кривые 16 и 17) и практической безинерционностью и сильной зависимостью от уровня освещения (фиг. 8, кривые 18 и 19).
Таким образом, предлагаемый способ управления работой мемристивных МДП-структур с помощью воздействия света позволяет регулировать такие параметры переключения, как величины напряжения формовки и напряжения переключения, отношение токов (сопротивлений) в состоянии СВС и СНС и быстродействие при считывании состояний ИС и СВС за счет изменения величины последовательного сопротивления, определяющегося полупроводником. Снижается вероятность ошибки при считывании состояния мемристора.