RU2582232C1 - Мемристорный материал - Google Patents
Мемристорный материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582232C1 RU2582232C1 RU2015104622/28A RU2015104622A RU2582232C1 RU 2582232 C1 RU2582232 C1 RU 2582232C1 RU 2015104622/28 A RU2015104622/28 A RU 2015104622/28A RU 2015104622 A RU2015104622 A RU 2015104622A RU 2582232 C1 RU2582232 C1 RU 2582232C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- memristor
- nanoclusters
- copper
- layer
- lithium fluoride
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Использование: для создания компьютерных систем на основе мемристорных устройств со стабильными и повторяемыми характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что мемристорный материал включает наноразмерный слой фтористого лития, содержащего нанокластеры металла, причем наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров использована медь. Технический результат: обеспечение возможности упрощения технологии приготовления мемристорного материала и улучшения технических параметров Roff/Ron>103. 2 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к материалам для устройств микро- и наноэлектроники и может быть использовано для создания компьютерных систем на основе мемристорных устройств со стабильными и повторяемыми характеристиками.
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.
Например, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана TiO2 толщиной ~5 нм [D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams. The missing memristor found. Nature 2008, 453, p. 80; Williams R.S., Yang J., Pickett M., Ribeiro G., Strachan J.P. Memristors based on mixed-metal-valence compounds. WO 2011028208. 10.03.2011]. В последние годы механизм резистивного переключения в слоях оксидов титана с симметричными Pt электродами был подробно исследован [J.J. Yang et al. Memristive switching mechanism for metal/oxide/metal nanodevices. Nature Nanotechnology 2008, 3, p. 429; J.P. Strachan, J.J. Yang et al. Nanotechnology, 2009, 20, p. 485701].
Для большинства типов мемристоров, в том числе для мемристоров на основе оксидов переходных металлов, остается нерешенной проблема стабильности и воспроизводимости таких параметров, как напряжение переключения, сопротивление в низкоомном и в высокоомном состояниях. Основной причиной нестабильности характеристик мемристора является неоднородность распределения электрического поля в активном слое мемристора из-за неидеальности активного слоя. Соответственно, существует путь повышения стабильности характеристик мемристора, который заключается в поиске новых материалов.
Только за последние годы были предложены следующие материалы:
Pt/CeOx/TiN - [Muhammad Ismail, Ijaz Talib, Chun-yang Huang et al. Resistive switching characteristics of Pt/CeOx/TiN memory devices // Japan Journal of Appl. Phys. - 2014. - V53. - №6. - 060303].
Pt/TaOx/TiN - [Hujang Jeon, Jingyu Park et al. Stabilized resistive switching behaviors of a Pt/TaOx/TiN RRAM under different oxygen centers // Phys. Stat. Sol (A). - 2014. - V. 211. - №9. - 70256].
Резистивные переключатели на основе пленок BiFe0,95sZn0,05O3 - [Yuan Xue-Yong, Luo Li-Rong, Wu Di et al. Bipolar resistive switching in BiFe0,95Zn0,05O3 - films // Chin. Phys. B. - 2013. - V. 22. - №10. - 107702].
HfxAl1-xOy - [Markeev A., Chouprik A., Egorov K., et al. Multilevel resistive switching in ternary HfxAl1-xOy oxide with graded A1 depth profile // Microelectronic Engineering. - 2013. - v. 109. - p. 342-345]. Эта разработка защищена Российским патентом “Мемристор на основе смешанного оксида металлов” Патент РФ №2472254 H01L 45/00, B82B 1/00, 2011).
Известен мемристор на основе смешанного оксида металлов [патент РФ №2524415, H01L 45/00, В82В 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.
Во всех перечисленных выше аналогах основной механизм электропереноса - дрейф ионов кислорода по анионным вакансиям, то есть пример ионной коммутации. Деградация материала вызвана, как правило, взаимодействием с кислородом атмосферы и заполнением вакансий ионами кислорода.
Наиболее близким по своей технической сущности материалом является мемристор на основе поверхностного слоя кристалла фтористого лития с нанокластерами магния, внедренными в поверхностный слой кристалла путем ионной имплантации [Н.А. Иванов, В.Л. Паперный, Л.И. Щепина и др. Перспективные материалы для резистивных переключателей на основе кристаллов фтористого лития с наноструктурами. // Известия Вуз. Физика. - 2013. - Т. 56. - №2/2. - с. 166-169]. В качестве активного слоя используется поверхностный слой кристалла фтористого лития с нанокластерами магния, внедренными в поверхностный слой кристалла путем ионной имплантации Mg+ с энергией частиц ~100 keV и флюенсом 1,6·1017-3,2·1017 cm-2. С данной энергией глубина проникновения ионов магния в кристалл составляет порядка 100 нм.
Поскольку в поверхностном слое кристалла LiF создаются нанокластеры Mg данный мемристорный материал относится к электронным коммутаторам. Электронные переключатели обладают высокой стабильностью и повторяемостью характеристик мемристора, однако имплантация ионов - самый дорогостоящий процесс к настоящему времени.
Недостатком прототипа является достаточно сложная технология приготовления материала и относительно худшие технические параметры, например Roff/Ron<103.
Задачей данного изобретения является упрощение технологии приготовления мемристорного материала и улучшение технического параметра Roff/Ron > или равно 103.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в мемристорном материале, включающем наноразмерный слой фтористого лития, содержащий нанокластеры металла, наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров используется медь.
Мемристорный материал изготавливают следующим образом:
Пример 1 (прототип). Пример реализации мемристорного материала отличается тем, что в качестве активного слоя используется поверхностный слой кристалла фтористого лития с нанокластерами магния, внедренными в поверхностный слой кристалла путем ионной имплантации Mg+ с энергией частиц ~100 keV и флюенсом 1,6·1017-3,2·1017 cm-2. С данной энергией глубина проникновения ионов магния в кристалл составляет порядка 100 нм.
Имплантация ионов осуществлялась с применением высоковольтной аппаратуры (100 кэВ, ускоряющее напряжение до 50 кВ).
Для формирования нанокластеров (НК) магния кристаллы подвергались отжигу при 650 K в течение 15 min. Контроль над образованием НК осуществлялся методом оптической спектроскопии по полосе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) с максимумом ~285 nm в спектре поглощения. Относительная концентрация кластеров магния оценивалась по оптической плотности (D) в полосе ППР, интенсивность которой менялась от 0,3-2,55. Для измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) на поверхность имплантированного слоя наносились верхние серебряные электроды. Измерения ВАХ поверхностной проводимости проводили по стандартной методике с использованием классической схемы Кюри. Ток измерялся с помощью усилителя постоянного тока У5-11. Были получены следующие характеристики: напряжение переключения из высокоомного в низкоомное состояние составило 2,0±0,2 В, параметр Roff/Ron~200, концентрация кластеров магния D=2,17. Учитывая, что имплантация ионов - один из трудоемких и дорогостоящих процессов к настоящему времени, задача изобретения в данном примере не достигнута.
Пример 2. Пример реализации мемристорного материала технически аналогичен второму. Отличие состоит в том, что: мемристорный материал, включающий наноразмерный слой фтористого лития, содержащего нанокластеры металла, выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров используется медь. Пленки наносились на стекло методом термовакуумного химического парофазного осаждения (ТВХПО). При процессе химического парофазного осаждения подложка помещается в пары двух веществ, которые, вступая в реакцию и разлагаясь, создают на поверхности подложки необходимое вещество. Суть данного метода состоит в том, что конечный продукт образуется на подложке-мишени. С этой целью использовалась установка, состоящая из группы модулей для ТВХПО, с целью получения наноструктур. По указанным группам классификации установка относится к LPHPCVD (Low Pressure Hybrid Physical-Chemical vapor deposition) без использования газа-носителя для прекурсоров. Установка представляет собой камеру, с использованием Вакуумного Универсального Поста (ВУП-5), и низковольтную аппаратуру, что значительно упрощает процесс приготовления мемристорного материала. Внутри камеры находится зона реактора, в случае использования двух прекурсоров (60 мг меди и 200 мг фтористого лития), зона реактора разделяется диэлектрической перегородкой. В каждой подзоне имеются выводы на два электрода, соединенные между собой танталовой фольгой с вогнутой серединой, образуя собой подобие тиглей. На тигли подается регулируемый ток с ЛАТРов, значения тока фиксируются последовательно включенными амперметрами, таким образом, контролируется скорость распыления веществ в объеме камеры. Выше зоны реактора находится кюветное отделение, где и располагаются подложки на основе SiO2, подготовленные для осаждения нагретых веществ в газовой фазе. Кюветное отделение отгорожено металлической шторкой, которая ограничивает доступ веществ к поверхности, обеспечивая в нужный момент синхронное поступление газов. Над кюветным отделением смонтированы диодные лампы, которые играют роль подсветки подложек и нагрева одновременно, температура подложек контролируется с помощью терморезистора и соответствующей градуировочной шкалы и поддерживается ~300 градусов. Толщина пленок варьировалась от 500 до 700 нм. Контроль за нанокластерами металла осуществляли по спектрам оптического поглощения в полосе плазмонного резонанса в области ~330 нм для нанокластеров Cu. Измеряли вольт-амперные характеристики для установления соотношения сопротивления в момент выключения электрического поля и включения. Были получены следующие характеристики: напряжение переключения из высокоомного в низкоомное состояние составило 2,0±0,2 В, параметр Roff/Ron~2·104, концентрация нанокластеров меди D=2,25. Учитывая, что сам материал имеет простой химический состав и не требует сложных технологий для нанесения пленок фтористого лития с нанокластерами меди, задача изобретения достигнута.
Предлагаемый материал поясняется следующими закономерностями.
Одной из характеристик мемристорного материала является соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состояниях (Roff/Ron). Это соотношение должно быть больше или равно 103. На фиг. 1 представлена зависимость Roff/Ron от концентрации нанокластеров меди в пленке фтористого лития. Концентрация меди оценивалась по оптической плотности (D) в полосе плазмонного резонанса на длине волны 330 нм.
Согласно представленной зависимости нижняя граница концентрации нанокластеров меди определяется величиной D=0,94 на длине волны 330 нм. Верхняя граница D=2,2. Дальнейшее увеличение концентрации нанокластеров меди в пленке LiF сопровождается образованием окиси и закиси меди, которые ухудшают характеристики мемристора. Закись меди (Cu2O) увеличивает ток в выключенном состоянии, а окись меди (CuO) увеличивает сопротивление пленки во включенном состоянии.
На фиг. 2 представлена зависимость параметра Roff/Ron от числа циклов переключения для пленки LiF с концентрацией нанокластеров меди D=0,94 на длине волны 330 нм. Наблюдается высокая стабильность и повторяемость характеристик мемристора на основе пленки фтористого лития с нанокластерами меди при минимальных затратах на ее изготовление.
Таким образом, сочетание известных признаков мемристорного материала и отличительных признаков позволяет получить новый технический результат, а именно упростить технологию приготовления мемристорного материала и улучшить технический параметр Roff/Ron>103.
Claims (1)
- Мемристорный материал, включающий наноразмерный слой фтористого лития, содержащего нанокластеры металла, отличающийся тем, что наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров используется медь.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015104622/28A RU2582232C1 (ru) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Мемристорный материал |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015104622/28A RU2582232C1 (ru) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Мемристорный материал |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2582232C1 true RU2582232C1 (ru) | 2016-04-20 |
Family
ID=56195269
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015104622/28A RU2582232C1 (ru) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | Мемристорный материал |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2582232C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102544359A (zh) * | 2010-12-30 | 2012-07-04 | 中国科学院微电子研究所 | 忆阻器及其制作方法 |
GB2503290A (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-25 | Univ Swansea | Memristor and method of manufacture thereof |
US20140029328A1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-30 | Gilberto Medeiros Ribeiro | Storing Data in a Non-volatile Latch |
US20140145142A1 (en) * | 2011-07-20 | 2014-05-29 | Minxian Max Zhang | Memristor structure with a dopant source |
US20140332747A1 (en) * | 2011-11-14 | 2014-11-13 | Federal State Budgetary Institution «Federal Agency for Legal Protection of Military, Special | Memristor based on a mixed metal oxide |
RU149246U1 (ru) * | 2014-08-01 | 2014-12-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Элемент резистивной энергонезависимой памяти |
-
2015
- 2015-02-11 RU RU2015104622/28A patent/RU2582232C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102544359A (zh) * | 2010-12-30 | 2012-07-04 | 中国科学院微电子研究所 | 忆阻器及其制作方法 |
US20140145142A1 (en) * | 2011-07-20 | 2014-05-29 | Minxian Max Zhang | Memristor structure with a dopant source |
US20140332747A1 (en) * | 2011-11-14 | 2014-11-13 | Federal State Budgetary Institution «Federal Agency for Legal Protection of Military, Special | Memristor based on a mixed metal oxide |
GB2503290A (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-25 | Univ Swansea | Memristor and method of manufacture thereof |
US20140029328A1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-30 | Gilberto Medeiros Ribeiro | Storing Data in a Non-volatile Latch |
RU149246U1 (ru) * | 2014-08-01 | 2014-12-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Элемент резистивной энергонезависимой памяти |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lee et al. | Growth of nanosized single crystals for efficient perovskite light-emitting diodes | |
Jain et al. | Vapor phase conversion of PbI 2 to CH 3 NH 3 PbI 3: Spectroscopic evidence for formation of an intermediate phase | |
Ankireddy et al. | Rapid thermal annealing of CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite thin films by intense pulsed light with aid of diiodomethane additive | |
Gupta et al. | Preparation and characterization of nanostructured ZnO thin films for photoelectrochemical splitting of water | |
Li et al. | Improvement of resistive switching characteristics in ZrO2 film by embedding a thin TiOx layer | |
Stavarache et al. | Annealing temperature effect on structure and electrical properties of films formed of Ge nanoparticles in SiO2 | |
Belarbi et al. | Transformation of PbI 2, PbBr 2 and PbCl 2 salts into MAPbBr 3 perovskite by halide exchange as an effective method for recombination reduction | |
Xu et al. | Effect of Co doping on unipolar resistance switching in Pt/Co: ZnO/Pt structures | |
Perevalov et al. | Electronic structure and charge transport in nonstoichiometric tantalum oxide | |
Cen et al. | New aspects of improving the performance of WO 3 thin films for photoelectrochemical water splitting by tuning the ultrathin depletion region | |
Bao et al. | Green electroluminescence of Al2O3 film | |
Gismatulin et al. | Electronic structure and charge transport mechanism in a forming-free SiO x-based memristor | |
Xu et al. | Improved resistance switching stability in Fe-doped ZnO thin films through pulsed magnetic field annealing | |
US9831426B2 (en) | CBRAM device and manufacturing method thereof | |
Reghima et al. | Structure, surface morphology, and optical and electronic properties of annealed SnS thin films obtained by CBD | |
RU2582232C1 (ru) | Мемристорный материал | |
Chen et al. | Improved resistive memory based on ZnO–graphene hybrids through redox process of graphene quantum dots | |
Grill et al. | Controlling crystal growth by chloride-assisted synthesis: Towards optimized charge transport in hybrid halide perovskites | |
Martínez et al. | Dual layer ZnO configuration over nanostructured porous silicon substrate for enhanced memristive switching | |
Rakhshani | Thin ZnO films prepared by chemical solution deposition on glass and flexible conducting substrate | |
Gul et al. | Formation of a Ti→ TiO2-graded layer and its effect on the memristive properties of TiO x (/Ti/TiO x) structures | |
Qin et al. | Processing and characterization of Ta2O5 films deposited by pulsed laser ablation | |
KR102345845B1 (ko) | 세륨 산화물막을 활성층으로 포함하는 저항 변화 메모리 소자 | |
RU159146U1 (ru) | Мемристорный переключатель | |
Byun et al. | Performance enhancement of HfO2-based resistive random-access memory devices using ZnO nanoparticles |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200212 |