Способ обратимого энергозависимого переключения резистивного состояния твердотельного прибора на базе структуры металл-диэлектрик-металл
METHOD FOR REVERSIBLE VOLATILE SWITCHING OF THE RESISTIVE STATE OF A SOLID-STATE APPARATUS BASED ON A METAL-DIELECTRIC-METAL STRUCTURE

Изобретение относится к способам применения электрических приборов, нанокомпозитным материалам на основе диэлектриков и металлов для оптоэлектроники, мемристорной электроники, оптическим компьютерам (в т.ч. - нейроморфным оптоэлектронным вычислительным системам).
Заявляемый способ переключения твердотельного прибора на базе структуры металл-диэлектрик-металл представляет собой оптически управляемый мемристор, предназначенный для осуществления переключения между двумя (или несколькими) метастабильными состояниями сопротивления под действием импульсов электрического напряжения, подаваемыми на электроды, и одновременно оптического излучения (постоянного или импульсного) с определенной длиной волны, подаваемого в активную область прибора в виде сфокусированного луча, по цилиндрицескому или планарному оптическому волноводу и т.п. Предназначение прибора состоит в управлении величиной силы электрического тока, протекающего через прибор, при помощи внешнего оптического сигнала. Важной особенностью такого прибора является то, что значение электрического сопротивления прибора, установившееся под действием оптического излучения, сохраняется после выключения оптического сигнала на период до 10 лет, даже при отсутствии напряжения между электродами (т.е. прибор реализует эффект оптически управляемой энергонезависимой резистивной памяти).
Оптически управляемый мемристор (далее-ОУМ) выполняется на базе структуры типа металл-диэлектрик-металл (МДМ) (Фиг 1). В слое диэлектрика формируется массив металлических наночастиц (МНЧ) (размерами 1-3 нм), например, методом осаждения сэндвич-структуры диэлектрк-металл-диэлектрик (с использованием методов магнетронного осаждения, электронно-лучевого осаждения и т.п.) с последующим отжигом. Материал наночастиц (Ag, Au и т.п.) и режим выбираются таким образом, чтобы длина волны плазмонного резонанса в массиве наночастиц совпадал с длиной волны используемого оптического излучения.
Фиг.1 - Схема структуры оптически управляемого мемристора в вертикальном (а) и волноводном (б) исполнениях.
ITO - indium tin oxide оксид индия-олова проводящая пленка прозрачная для оптического излучения;
ZrO2(Y) - оксид циркония, модифицированный иттрием
2
Реализация ОУМ возможна в двух исполнениях. В вертикальном исполнении (Фиг. 1а), верхний электрод МДМ струткуры выполняется из электропроводящего материала, прозрачного для излучения на длине волны используемого оптического излучения (например, ИТО, SnO:Sb для видимого диапазона длин волн) для обеспечения доступа оптического излучения к активной области прибора (МНЧ). Оптическое излучение вводится в активную область через прозрачный проводящий слой перпендикулярно плоскости МДМ структуры (посредством сфокусированного луча, через волоконный световод и т.п.). На основе описанной струтктуры формируются меза-приборы (например, типа «кросс-пойнт») или массивы (например, типа «кросс-бар»).
0
0
2
2
В волноводном исполнении (Фиг 1б) ОУМ выполняется на базе волноводной структуры, сформированной на прозрачного проводящего слоя (выполненного, например, из ИТО) толщиной ℓ, сформированного на прозрачной изолирующей подложке (стекло, кварц и т. п.). К поверхности прозрачного проводящего слоя примыкает слой функционального диэлектрика толщиной d с большим значением показателя преломления (на длине волны используемого оптического излучения), чем лежащий ниже прозрачный электропроводящий слой (например, ZrO(Y)), содержащий активный слой наночастиц, поглощающих используемое оптическое излучение. Далее слой функционального диэлектрика покрывается верхним прозрачным проводящим слоем (например, ИТО) с меньшим значением показателя преломления, чем слой функционального диэлектрика. Описанный способ переключения и волноводная мемристорная структура выполняет функцию концентрации электромагнитного поля основной вертикальной моды волновода (TE01 мода) в слое наночастиц. Излучение в волноводную мемристорную структуры вводится с помощью планарного (гребенчатого, полоскового и т.п.) транспортного оптического волновода, расположенного в одной плоскости с мемристорной структурой, так что оптическая ось мемристороной волноводной структуры является продолжением оптической оси транспортного волновода. Волноводная структура может закрываться сверху прозрачным защитным слоем (выполненным, например, из SiO, полиимида и т.п.) с показателем преломления, меньшим показателя преломления прозрачного проводящего слоя.
Имеющиеся аналоги.
Влияние оптического излучения на РП начал изучаться сравнительно недавно. Этот эффект может создать основу развития новой области науки и технологий - мемристивную оптоэлектронику, сочетающую потенциал мемристивной электроники и оптоэлектроники.
В [1] сообщалось о влиянии оптического излучения на РП в МДП структуре
2
2
2
Au/Zr/ZrO(Y)/Si. Эффект был связан с поверхностной фотоЭДС на границе Si/ZrO(Y) из-за собственного оптического поглощения в Si и разделения фотовозбужденных электронно - дырочных пар электрическим полем потенциального барьера на границе полупроводника и диэлектрика. В свою очередь, это приводит к перераспределению электрического поля между ZrO(Y) и подложкой Si, что способствует разрушению и восстановлению проводящих филаментов.
+
+
В [2] исследовано влияние оптического излучения на электрические параметры мемристоров на базе МдП-структур ITO/GeO[SiO]/n-Si с кластерами аморфными Ge (a-Ge) в стеклянной Si-Ge пленке. Эффект был связан с зарядкой кластеров a-Ge из - за фотоэмиссии дырок из кластеров в подложку n-Si, что приводит к перераспределению электрического поля внутри изолятора.
x
x
В [3] сообщается об активированном светом РП в МДП-структурах на основе SiO/p-Si с верхними электродами из ITO. Эффект был связан с межзонным поглощением излучения видимого диапазона в подложке p-Si и аккумуляции фотовозбужденных электронов на границе Si/SiO. Это приводит к повышению электронной инжекции в SiOx, что способствует генрации пар Френкеля и, следовательно, вакансий кислорода VО, составляющих проводящий филамент.
2
3
2
Аналогичный механизм влияния оптического излучения на РП мемристоров на основе МДП-структур Pt/AlO/SiO/p-Si предполагался в [4].
4
4
4
4
Индуцированное светом усиление РП в нанопроволоках ZnWO обнаружено в [5]. При воздействии излучения, фотовозбужденные электроны захватываются вакансиями на границе ZnWO с Ti электродом, что приводит к уменьшению области обеднения барьера Шоттки на границе ZnWO с Ti и увеличению квазинейтральной области в ZnWO. При этом, РП становится более выраженным.
В [6] влияние оптического излучения на РП в ZnO нанопроволоках было связано с фотоактивными поверхностными состоянияи, усиливающими РП.
2
2
В [7, 8] мы сообщили об улучшении параметров РП (увеличение площади внутри петли гистерезиса в циклических ВАХ) в тонкой (~ 10 нм толщиной ) пленке ZrO(Y) с внедренными НЧ Au с радиусом R ~ 1 нм под действием оптического излучения на длине волны λ≈ 650 нм, соответствующей коллективному плазмонному резонансу в массиве НЧ Au. Эффект был связан с усиленной плазмонным резонансом внутренней фотоэмиссией электронов из НЧ Au в вакансионную α-зону в ZrO(Y). Это приводит к зарядке НЧ, и, как следствие, к локальному увеличению напряженности электрического поля на поверхности НЧ, что, в свою очередь, способствует разрушению и восстановлению проводящих филаментов в диэлектрической пленке [9]. Развита теория для расчета возрастания напряженности электрического поля как функции размеров НЧ и их расположений внутри диэлектрической пленки с учетом сил изображения на проводящих электродах мемристора. Предложенная модель подтверждена экспериментально методом сканирующей Кельвин-зонд микроскопии.
2
2
3
Металлические НЧ, встроенные в функциональный диэлектрик мемристора, концентрируют электрическое поле и, следовательно, способствуют процессу РП [10]. Так, НЧ Au в пленках ZrO(Y) [11] и НЧ Ag в двухслойных структурах AlO/ZnO [12] предлагались для улучшения выхода годных мемристоров, чтобы уменьшить разброс параметров РП. Металлические наночатсицы должны были действовать как концентраторы электрического поля, чтобы способствовать росту проводящего филамента.
Проведенные нами исследования показывают, что зарядка металлических НЧ из - за электронной фотоэмиссии улучшает параметры РП, так как зарядка НЧ повышает напряженность электрического поля у поверхности НЧ (по сравнению со случаем отсутствия излучения).
В качестве прототипа выбран патент CN211743191U [13], где описаны мемристоры с повышенной надежностью переключения и мультиуровневыми состояниями за счет применения нанокластеров двух разных размеров. При различной напряженности внешнего поля внутреннее поле концентрируется между электродами в диэлектричсеком слое с усилением за счет присутствия металлических нанокластеров.
При приложении различного напряжения оказывается достаточно за счет разных размеров частиц переключение при разных электрических поля, концентрируемых в слое диэлектрика.
Все аналоги, включая и прототип, обладают одним общим недостатком - невысокая воспроизводимость параметров мемристора при переключении.
Цель изобретения - улучшение воспроизводимости параметров мемристора.
Поставленная цель достигается тем, что в способ переключения твердотельного прибора на базе структуры «металл-диэлектрик-металл», позволяет выполнять обратимое энергонезависимое переключение резистивного состояния, содержащего в средней части слоя диэлектрика внедренные металлические изолированные друг от друга наночастицы размером 1- 3 нм и по крайней мере один из электродов структуры металл-диэлектрик-металл делают из проводящего прозрачного для оптического излучения материала, обратимое энергонезависимое переключение резистивного состояния прибора осуществляют посредством освещения области диэлектрика, содержащей наночастицы, оптическим излучением, длина волны которого соответствует длине волны плазмонного резонанса в массиве наночастиц, и одновременным приложением электрического напряжения к электродам структуры, создающего внутри слоя диэлектрика электрическое поле, напряженность которого недостаточна для изменения резистивного состояния структуры в отсутствие освещения.
Описание физических принципов работы прибора.
0
SET
7
Для переключения мемристора из состояния с высоким сопротивлением (СВС) в состояние с низким сопротивлением (СНС) - т. наз. SET процесс - на верхний электрод структуры подается (относительно нижнего проводящего слоя) напряжения U, меньшее напряжения переключения из СВС в СНС в темноте U, создающее в слое функционального диэлектрика электрическое поле с напряженностью F. Ввиду поляризации МНЧ, напряженность электрического поля вблизи поверхности МНЧ возрастает вплоть до ~ 10 В/см. При подаче оптического излучения с длиной волны, соответствующей ПР в массиве МНЧ, происходит заряд НЧ вследствие внутренней фотоэмиссии электронов из МНЧ в зону проводимости функционального диэлектрика, усиленная ПР в слое МНЧ. Вследствие этого, происходит увеличение напряженности электрического поля вблизи поверхности МНЧ, что, в свою очередь, стимулирует рост проводящего филамента в слое функционального диэлектрика и, соответственно, переключение мемристора из СВС в СНС.
Обратное переключение мемристора из СНС в СВС (т. наз. RESET процесс) осуществляется при подаче на электроды мемристорной структуры напряжения обратной полярности. При этом усиление электрического поля вблизи поверхности МНЧ вследствие фотоэмиссии электронов из МНЧ способствует разрушению проводящего филамента.
Требования к параметрам слоев структуры.
0
0
2
2-
7
Толщина слоя функционального диэлектрика слоя диэлектрика d определяется следующим требованием: величина напряженности электрического поля вблизи поверхности МНЧ при условии подачи на электроды структуры напряжения U должна достигать значения, необходимого для полевого вырывания иона материала функционального диэлектрика (например, O в случае ZrO(Y)) из узла кристаллической решетки (как правило, ~10 В/см).
0
Толщина d выбирается таким образом, чтобы обеспечить функционирование прибора при напряжении переключения до 2 В в темноте и до 1.5 В при включенном оптическом излучении.
2
0
Например, для ZrO(Y) d составляет 20-40 нм.
0
2
Толщины верхнего и нижнего прозрачного проводящего электродов волноводной мемристорной структуры ℓ в волноводном исполнении (одновременно выполняющие функцию ограничивающих слоев оптического волновода) должны обеспечивать достаточно низкие потери излучения при прохождении через волноводную структуру, так чтобы достаточная для реализации вышеописанного принципа действия часть падающего излучения поглощалась в слое МНЧ. В частности, снижение оптических потерь может быть достигнуто за счет применения покровного слоя, выполненного, например, из SiO и т. п.
Обоснование полезности предлагаемого изобретения.
Для решения ряда актуальных задач компьютерной технологии, в частности, в областях искусственного интеллекта, нейроморфных вычислений и др., необходимы электронные компоненты, позволяющие хранить информацию в течение долгого времени, одновременно способные ее обрабатывать, т.е. реализующие принцип вычисления в памяти.
На основе предлагаемый ОУМ может быть сформирован массив (одномерный или двумерный) логических элементов (например, типа «кросс-бар» или «кросс-пойнт»), в котором отдельные ОУМ выполняют ту же роль, что и фототранзисторы в оптоэлектронных логических интегральных схемах, но при этом реализуют функцию запоминания. Кроме того, в подобных массивах могут быть реализованы вычисления в памяти. Например, на основе массивов ОУМ может быть реализованы активные интеллектуальные сенсоры изображения, которые не только преобразуют захватываемое изображение в цифровые или аналоговые электрические сигналы, но и выполняют функцию обработки видеоинформации, в том числе - с применением нейроморфных алгоритмов (например, распознавания образов в реальном времени и т.п.). Это, в перспективе, позволяет достичь значений производительности вычислений, недостижимой для современных компьютерных систем, а также решать задачи, относящиеся к области искусственного интеллекта и когнитивных информационных технологий, принципиально неразрешимые для современного состояния компьютерной техники.
Список цитируемой литературы.
1 Tikhov S V, Gorshkov O N, Koryazhkina M N, Antonov I N, Kasatkin A P 2016 Tech. Phys.
Lett. 42 536 DOI: 10.1134/S1063785016050308
2 Volodin V A, Kamaev G N and Vergnat M 2020 Phys Status Solidi RRL, 2000165 DOI: 10. 1002/pssr.202000165
3 Mehonic A, Gerard T and Kenyon A J 2017 Appl. Phys. Lett. 111 233502 DOI: 10.1063/1.5009069
4 Ungureanu M, Zazpe R, Golmar F, Stoliar P, Llopis R, Casanova F and Hueso L E 2012 Adv. Mater. 24 2496 DOI: 10.1002/adma.201200382
5 Zhao W X, Sun B, Liu Y H, Wei L J, Li H W and Chen P 2014 AIP Adv. 4 077127 DOI: 10.1063/1.4891461
6 Park J, Lee S and Yong K 2012 Nanotechnology 23 385707 DOI: 10.1088/0957-4484/23/38/385707
7 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 993 012026 DOI: 10.1088/1742-6596/993/1/012026
8 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 201 J. Surface Investigations: X-ray, Synchrotron, and Neutron Techniques 12 1304 DOI: 10.1134/S1027451019010178
9 A S Novikov, D O Filatov, M E Shenina, I N Antonov, D A Antonov, A V Nezhdanov, V A Vorontsov, D A Pavlov, O N Gorshkov. A mechanism of effect of optical excitation on resistive switching in ZrO2(Y) films with Au nanoparticles. Journal of Physics D: Applied Physics 54 2021 54 485303 . DOI: 10.1088/1361-6463/ac1d11
10 Huang Y-J, Chao S-C, Lien D-H, Wen C-Y, He J-H and Lee S-C 2016 Sci. Rep. 6 23945 DOI: 10.1038/srep23945
11 Guan W, Long S, Jia R and Liu M 2007 Appl. Phys. Lett. 91 062111
12 Wang D.-T, Dai Y.-W, Xu J, Chen L, Sun Q-Q, Zhou P, Wang P-F, Ding S-J and Zhang D W 2016 IEEE Electron Dev. Lett. 37 1 DOI: 10.1109/LED.2016.2570279
13 Chen Z 2020 Nonvolatile multi-value memristor. CN211743191U.