Резистивное биполярное переключение в тонкопленочных мемристивных структурах на основе Si-Ag

УДК 539.23

С. Н. Шевырталов, Д. А. Коива, А. Ю. Гойхман

РЕЗИСТИВНОЕ БИПОЛЯРНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МЕМРИСТИВНЫХ структурах НА ОСНОВЕ Si-Ag

Исследованы поверхностные и электрофизические свойства тонкопленочных многослойных структур мемристоров на основе Si/Ag, выращенных методом ионно-плазменного напыления. Разработан и оптимизирован метод формирования структур, представляющих собой равномерно распределенные кластеры Ag в матрице кремния. На полученных структурах были сняты вольт-амперные характеристики, демонстрирующие резистивное переключение.

In this work were investigated surface and electrophysical properties of multilayer thin film structures based on Si/Ag, grown by Ion-Plasma Deposition method. There were developed and optimized method of structure formation, which consist of silver clusters in silicon medium. Current-voltage curves were observed on prepared structures and demonstrate resistive switching behavior.

Ключевые слова: резистивное переключение, мемристор, атомно-силовая микроскопия, вольт-амперные характеристики.

Key words: resistive switching, memristor, atomic force microscopy, I-V characteristics.

Традиционная электроника состоит из трех базовых элементов цепи — резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Они охарактеризованы связью двух из четырех фундаментальных переменных — током, напряжением, зарядом и потоком. В 1971 г. Леон Чуа, исходя из фундаментальных аргументов симметрии, обосновал теоретически возможное существование четвертого базового элемента — мемристора (память и сопротивление), описываемого связью между зарядом и магнитным потоком [1]. Спустя 37 лет в 2008 г. группа исследователей под руководством С. Уильямса предложила модель двухэлектродного устройства, основанного на принципах, описанных Чуа [2]. Явление резистивного переключения послужило предпосылкой создания совершенно нового класса устройств с функциональными свойствами, недоступными в традиционной электронике. Разработка наноразмерной ячейки памяти для памяти типа NVRAM (энергонезависимая память произвольного доступа) или RRAM (резистивная память произвольного доступа) являются лишь некоторыми возможными примерами использования мемристора [3; 4]

В данной работе проводилось исследование поверхностных и электрофизических свойств тонкопленочных многослойных структур мемристоров на основе Si/ Ag, выращенных методом ионно-плазменного напыления.

<Е> Шевырталов С.Н., Коива Д. А., Гойхман А.Ю., 2014.

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2014. Вып. 4. С. 24-28.

Мемристор представляет собой пассивный элемент, состояние проводимости которого зависит от величины проходящего через него заряда. Пока величина заряда остается неизменной, мемристор ведет себя подобно резистору и демонстрирует линейные вольт-амперные характеристики. В зависимости от величины проходящего заряда или времени его прохождения мемристор может переходить из состояния с высокой проводимостью в состояние с низкой и наоборот, то есть демонстрировать резистивное переключение. Данное свойство называется мемристивностью и указывает на способность мемристора запоминать свое состояние после отключения напряжения [5].

Исследуемые в данной работе структуры приготавливались путем осаждения кластеров серебра в матрице кремния на поверхность кремниевых подложек, предварительно закрытых слоем платины (30 нм) методом ионно-плазменного напыления в одном вакуумном цикле. Последовательность процессов при этом следующая: в вакуумной камере, заранее откачанной криовакуумным насосом до рабочего давления 3,3 • 10—5 Па, расположены источник ионов кауфмановского типа [6], держатели мишеней и подложек; в процессе столкновительной или ударной ионизации в ионном источнике формируется плазма, при этом нейтрализатор, расположенный в камере источника, испускает электроны, балансируя количество и заряд ионов, которые покидают источник; поток частиц, преимущественно нейтрального заряда, вылетающих из источника с энергией 1000 еУ, бомбардируют поверхность мишени напыляемого материала, выбивая атомы материала мишени в виде потока в сторону держателя подложек. В вакуумной камере предусмотрена возможность переключения мишеней с держателем до трех штук. Более подробно особенности данного метода роста наноразмерных структур описаны в работе [7]. Структуры выращены послойно, то есть, чередуя мишени Бі и А^ на подложке было сформировано многослойное покрытие, состоящее из 10 слоев кремния и 10 слоев серебра. Причем рост осуществлялся таким образом, что после каждого сплошного слоя кремния, толщиной порядка 1 нм, осаждались кластеры серебра. Средний размер этих кластеров составлял порядка 2,5 нм. Сверху на структуру был нанесен тонкий слой серебра (и 6 нм), после чего через маску наносились платиновые контакты толщиной 30 нм с размерами 15 х 15 мкм (рис. 1). Суммарная толщина структуры без контактов составила 27 нм. Состав конечного устройства был следующим от подложки: Б^КЭС)//РЬ(30 нм)/Si-Ag(27 нм)/Ag(6 нм)/РЬ(30 нм).

Для исследования состояния поверхности контактов был применен метод атомно-силовой микроскопии. В полуконтактном режиме сканировалась область с размерами 70 х 70 мкм, после чего полученный скан обрабатывался в программном комплексе СшудЛіоп [8].

Сформированные контакты являются равномерными однородными и не соприкасаются друг с другом (рис. 2, 3).

Вольт-амперные характеристики также были получены методом атомно-силовой микроскопии в контактном режиме с использованием кантилеверов с проводящим покрытием Т/РЬ. На один из верхних контактов устанавливался зонд, на который подавалось напряжение. Нижний контакт при этом был заземлен (рис. 4).

25

26

Рис. 1. Схематичное изображение мемристивной структуры

«.

#

«Еь.. 1

Рис. 2. Изображение контактов на поверхности структуры, полученное на атомно-силовом микроскопе

Рис. 3. Профиль, снятый с поверхности контактов

Рис. 4. Схема измерения вольт-амперных характеристик

Приложение постоянного напряжения в таком устройстве приводит к движению ионов серебра от верхнего слоя серебра через матрицу Si-Ag. В данном случае нанокластеры серебра в матрице кремния играют роль так называемых звеньев в формировании проводящих каналов.

На рисунке 5 изображены типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) исследуемой структуры, которые снимались при напряже-

нии от 2 В до -2 В, а токи были ограничены 10 нА, так как при больших токах проводящее покрытие зонда может выгореть. Первое включение наблюдается при напряжении 1,1 В, то есть устройство переходит из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой. В дальнейшем наблюдается линейная ВАХ. Выключение происходит при -1,3 В, при этом устройство показывает выпрямительную ВАХ. Оно демонстрирует стабильное биполярное переключение и хорошую повторяемость при малых напряжениях включения и выключения.

27

Рис. 5. Экспериментально полученные вольт-амперные характеристики мемристивной структуры, демонстрирующие резистивное переключение. На рисунке изображен 1-й и 20-й цикл включения / выключения. Черным цветом отмечен прямой проход, серым — обратный

В результате проведенных исследований было показано, что разработанная методика на основе метода ионно-плазменного напыления является подходящей для создания мемристивных структур с нанометровыми толщинами в одном вакуумном цикле благодаря возможности установки нескольких мишеней, а также гибкой настройке параметров роста. Атомно-силовая микроскопия служит мощным инструментом для комплексного анализа мемристивных структур, в частности для исследования поверхности и снятия вольт-амперных характеристик.

Авторы выражают благодарность за помощь в формировании тематики, плодотворные дискуссии и продуктивное взаимодействие кандидату физико-математических наук А. В. Зенкевичу, кандидату физико-математических наук Ю. А. Матвееву. Работа выполнена в Балтийском федеральном университете им. И. Канта в рамках

28

реализации проектов по Постановлениям Правительства №218 (договор с Минобор-науки 02.G25.31.0086 от 23.05.2013) и №220.

Список литературы

1. Chua L. O. Memristor — the missing circuit element / / IEEE Trans Circuit Theory 18. 1971. Р. 507—519.

2. Strukov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. The missing memristor found // Nature. 2008. Vol. 453. Р. 80—83.

3. Szot K. et al. Switching the electrical resistance of individual dislocations in single-crystalline SrTiO3 // Nature Mater. 2006. Vol. 5. Р. 312—320.

4. Aono M. et al. Quantized conductance atomic switch // Nature. 2005. Vol. 433. Р. 47—50.

5. Strukov D. et al. The Missing Memristor Found // Nature. 2008. Vol. 453. Р. 80 — 83.

6. Браун. Я. Физика и технология источников ионов. М., 1998.

7. Goikhman A., Sheludyakov S., Bogdanov E. Ion beam assisted deposition of novel thin film materials and coatings / / Materials Science Forum. 2011. Vol. 674. Р. 195.

8. Gwyddion — Free SPM (AFM, SNOM/NSOM, STM, MFM) data analysis software. URL: gwyddion.net (дата обращения: 07.02.2014).

Об авторах

Сергей Николаевич Шевырталов — асп., инженер научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийскоий федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: SShevyrtalov@innopark.kantiana.ru

Дарья Александровна Коива — инженер научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: DKoiva@innopark.kantiana.ru

Александр Юрьевич Гойхман — канд. физ.-мат. наук, директор научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы», Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: AGoikhman@innopark.kantiana.ru

About the authors

Sergey Shevyrtalov — PhD student, engineer of Research and Education Centre «Functional Nanomaterials», I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: SShevyrtalov@innopark.kantiana.ru

Daria Koiva — engineer of Research and Education Centre «Functional Nanomaterials», I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: DKoiva@innopark.kantiana.ru

Alexander Goikhman — PhD, director of Research and Education Centre «Func-tional Nanomaterials» I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: AGoikhman@innopark.kantiana.ru