RU159146U1

RU159146U1 - MEMORISTOR SWITCH

Info

Publication number: RU159146U1
Application number: RU2015134900/28U
Authority: RU
Inventors: Лариса Иннокентьевна Щепина; Иннокентий Яковлевич Щепин; Виктор Львович Паперный; Алексей Андреевич Черных; Ольга Ивановна Шипилова; Николай Аркадьевич Иванов
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2016-02-10

Abstract

Мемристорный переключатель, включающий 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, отличающийся тем, что активный слой выполнен в виде пленки фторида лития, содержащей нанокластеры меди.A memristor switch, comprising a dielectric substrate coated with an electrode in the form of a conductive film, a nanoscale active layer deposited on the electrode, and a second electrode made in the form of a probe probe microscope probe, characterized in that the active layer is made in the form of a lithium fluoride film containing copper nanoclusters.

Description

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_on) и высоким сопротивлением (R_off), соответствующих включенному и выключенному состояниям, переключение между которыми осуществляется путем подачи напряжения определенной полярности.The proposed utility model relates to nanoelectronic devices and can be used to create computer systems based on memristor devices with stable and repeatable characteristics. The memristor effect consists in the implementation of two stable states of the device: with low resistance (R _on ) and high resistance (R _off ), corresponding to the on and off states, switching between which is carried out by applying a voltage of a certain polarity.

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_x, NiO_x, CuO_x, HfO_x (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.)A known device that implements the memristor effect consists of an active layer of nanoscale thickness, including one or more sublayers of various compositions, placed between conductive electrodes to which a control voltage is applied. As the active layer material, various compounds are used that demonstrate a memristor effect: TiO _x , NiO _x , CuO _x , HfO _x (Wong HSP 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.With the advent of the possibility of forming nanoscale structures by Hewlett-Packard employees, it was experimentally shown for the first time that the memristive effect occurs in nanoscale metal-dielectric-metal structures due to the movement of charges in the ultrathin dielectric layer when an electric field is applied.

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.Known touch switch electroluminescent radiation / RF Patent No. 2389132 H03K 17/96 2009 / includes the first electrodes, one second electrode located opposite the first electrodes, and EL layers, each of which is placed between the corresponding one of the first electrodes and the second electrode . The causative agent of light emission supplies an excitation voltage between the first and second electrodes, causing the EL layers to emit light. The timing signal generator generates a timing signal for controlling the light emitting pathogen, as a result of which the supply of the excitation voltage is interrupted at predetermined intervals.

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%.Known memristor based on a metal-insulator-metal structure / RF Patent No. 2540237 H01L 21/8247, H01L 27/115 2015 /, comprising a first metal layer, a second metal layer and an insulator located between the metal layers, while the second metal layer is made in in the form of a highly alloyed semiconductor Si substrate, and the insulator is made of a solid state alloy Si: Me, characterized in that the Si: Me insulator layer is made with a predetermined concentration profile of Me in thickness, providing an increase in the concentration of Me in Si, in the direction from the first electrode within 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.Known memristor based on mixed metal oxide / RF patent "2524415, H01L 45/00, B82B 1/00 2014 /, consisting of alternating layers, namely an active layer located between two conductive layers, the active layer comprising a mixed oxide, an active layer consists of two sublayers, one of which is hafnium oxide, and the second is a mixed oxide, one of which is hafnium and the second is aluminum, and in addition, a layer of ruthenium oxide having a thickness of between the conductive and adjacent layer of hafnium oxide well, not less than 0.5 nm, the conductive layers used as titanium nitride or tungsten nitride.

Одной из основных характеристик мемристорного устройства является отношение соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состояниях (R_off/R_on), причем качество устройства тем выше, чем больше эта величина.One of the main characteristics of a memristor device is the ratio of the resistance ratio in the off and on states (R _off / R _on ), and the quality of the device is higher, the higher this value.

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для переключения, где в качестве активного слоя используется комбинация подслоев TiO₂ и TiO_x(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/.The closest in its technical essence is a switching device, where a combination of TiO ₂ and TiO _x sublayers (x = 1.6) is used as the active layer, and two electrodes are used to obtain the current-voltage characteristics of this (I – V) device: the lower electrode, made in the form of a gold film deposited on the surface of the glass substrate, and the upper electrode, which is used as a probe scanning probe microscope / U.V. Khrapovitskaya et al. // Letters in ZhTF, 2014, Volume 40, no. 7, p. 87-95 /.

Предлагаемые устройства обладают двумя недостатками, во-первых, достаточно сложная структура активного слоя, во-вторых, относительно невысоким значением R_off/R_on<10.The proposed devices have two drawbacks, firstly, the rather complex structure of the active layer, and secondly, the relatively low value of R _off / R _on <10.

Задачей данного изобретения является создание устройства, позволяющего упростить структуру активного слоя мемристорного переключателя и улучшить технический параметр R_off/R_on.The objective of the invention is to provide a device that allows to simplify the structure of the active layer of the memristor switch and improve the technical parameter R _off / R _on .

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.The solution of this problem is achieved by the fact that in the memristor switch, which includes a dielectric substrate with an electrode deposited on it in the form of a conductive film, a nanoscale active layer deposited on the electrode, as well as a second electrode made in the form of a scanning probe microscope probe, the active layer is made in the form lithium fluoride films containing copper nanoclusters.

Схематичное изображение устройства приведено на Фиг. 1. На Фиг. 2 приведены вольт-амперные характеристики устройства.A schematic representation of the device is shown in FIG. 1. In FIG. 2 shows the current-voltage characteristics of the device.

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.A composite film 3 of lithium fluoride containing copper nanoclusters is formed on the surface of a glass substrate 1, previously coated with a gold film 2, used as the lower electrode, by the standard method of thermal vacuum vapor-phase deposition. For this purpose, the commercial commercial installation "Vacuum universal post" VUP-5 is used. A composite film is created by simultaneous thermal evaporation of a sample of copper and lithium fluoride; its thickness lies in the range from 100 to 700 nm. The concentration of copper nanoclusters in the film is controlled by the intensity of the plasmon resonance band in the region of ~ 330 nm in the optical absorption spectrum of a witness sample obtained on a glass substrate without a gold electrode (Yu.V. Gense, L.I. Shchepina, etc. // Izvestia RAS.Physical Series, 2015, Volume 79, No. 2, p. 217). The second electrode is made in the form of a needle 4 of a probe of a scanning probe microscope.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

В высокоомном (выключенном) состоянии сопротивление устройства, измеренное при напряжении U=0,16 В и усредненное по измеренным ВАХ, составляет R_off=(2,5±0,04)×10⁸ Ом. При увеличении U до напряжения перехода в низкоомное (включенное) состояние, равное 0,67±0,03 В, сопротивление устройства падает до R_on=(1,5±0,08)×10⁷ Ом, т.е. отношение R_off/R_on=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.In the high-resistance (off) state, the resistance of the device, measured at a voltage of U = 0.16 V and averaged over the measured CVC, is R _off = (2.5 ± 0.04) × 10 ⁸ Ohms. When U is increased to the transition voltage to the low-impedance (on) state equal to 0.67 ± 0.03 V, the device resistance drops to R _on = (1.5 ± 0.08) × 10 ⁷ Ohms, i.e. the ratio of R _off / R _on = 17 exceeds the values obtained in the prototype. These results indicate that the proposed memristor switching device has improved performance, with a simpler structure obtained using a standard technique compatible with microelectronics technologies.

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 мкм². Напряжение подается с шагом 0,016 В в диапазоне изменения ±0,8 В.To establish the operating parameters of the device, its current-voltage characteristics (CVC) are measured. The I – V characteristics are measured in air at room temperature by scanning tunneling microscopy by applying a voltage U between the lower electrode 2 and the needle 4 of a Solver P47 scanning electron microscope. Scanning is carried out in the current mode using a tungsten needle with a diameter of 100 ± 15 nm with a step of 300 nm along a square element of 10 × 10 μm ² . Voltage is supplied in 0.016 V increments over a range of ± 0.8 V.

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_off=(2,5±0,04)×10⁸, Ом, R_on=(1,5±0,08)×10⁷ Ом, т.е. отношение R_off/R_on=17 превышает значения, полученные в прототипе.The thus obtained typical I – V characteristic is shown in FIG. 2. It can be seen from it that this device has a bipolar memristor effect (Fig. 2a), and the current jump is almost four orders of magnitude (Fig. 2b), which is at the level of the best known samples. Such I – V characteristics were obtained for 15 elements randomly selected on the surface of the sample. From these I – V characteristics, the average transition voltage from the high-resistance state to the low-resistance state was found to be 0.67 ± 0.03 V. The resistance in the high-resistance state, measured at a voltage of 0.16 V, was R _off = (2.5 ± 0.04) × 10 ⁸ , Ohm, R _on = (1.5 ± 0.08) × 10 ⁷ Ohm, i.e. the ratio of R _{off /} R _on = 17 exceeds the values obtained in the prototype.

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.These results suggest that the proposed memristor switching device has a fairly high and stable characteristics, with a very simple method of obtaining an active layer that is compatible with standard microelectronics technologies.

Claims

A memristor switch, comprising a dielectric substrate coated with an electrode in the form of a conductive film, a nanoscale active layer deposited on the electrode, and a second electrode made in the form of a probe probe microscope probe, characterized in that the active layer is made in the form of a lithium fluoride film containing copper nanoclusters.