RU2706197C1 - Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure - Google Patents

Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure Download PDF

Info

Publication number
RU2706197C1
RU2706197C1 RU2018146455A RU2018146455A RU2706197C1 RU 2706197 C1 RU2706197 C1 RU 2706197C1 RU 2018146455 A RU2018146455 A RU 2018146455A RU 2018146455 A RU2018146455 A RU 2018146455A RU 2706197 C1 RU2706197 C1 RU 2706197C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor
dielectric
resistance
light
switching
Prior art date
Application number
RU2018146455A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Станислав Викторович Тихов
Иван Николаевич Антонов
Алексей Иванович Белов
Олег Николаевич Горшков
Алексей Николаевич Михайлов
Мария Евгеньевна Шенина
Александр Николаевич Шарапов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"
Priority to RU2018146455A priority Critical patent/RU2706197C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2706197C1 publication Critical patent/RU2706197C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

FIELD: control systems.
SUBSTANCE: invention can be used to create memory and low power consuming integrated circuits of nonvolatile memory. Essence of the invention consists in that the method of controlling the operation of the membrane-type capacitor structure metal-insulator-semiconductor, in which the dielectric and the semiconductor are connected in series with respect to each other, wherein the dielectric is made from a non-light-sensitive material, and the semiconductor substrate is made from a light-sensitive material containing a dopant in concentrations of 1015÷1017 cm-3, providing commensurability of capacitance or conductivity of dielectric and region of space charge of semiconductor and absence of fixation of Fermi level on interface of dielectric and semiconductor, comprises adjustment of electric field intensity and current value in dielectric during its forming and switching due to change of resistance of semiconductor substrate due to capacitance variation and conductivity of space charge region in semiconductor using high intensity light illumination 1018÷1021 photons/cm2⋅from structures on side of metal electrode and dielectric in area of own photosensitivity of semiconductor lining.
EFFECT: reduction of molding and switching voltages, expansion of resistance limit in low-ohmic and high-resistance states, expansion of spectral operating mode due to semiconductor, reduction of error probability when reading memristor state.
4 cl, 8 dwg

Description

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.The present invention relates to the field of nanotechnology, relates to a method for controlling the operation of a memristive capacitor structure of a metal-dielectric-semiconductor using lighting, which can be used to create a new generation of non-volatile memory devices for use in the element base of non-traditional neural network and quantum computing systems.

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].The study of the effect of light on the effect of resistive switching (memristive effect) is one of the promising areas in connection with the possibility of creating elements of resistive memory, the switching of which will be controlled by the effect of light. Resistive Switching Random Access Memory (RRAM, ReRAM), another name - memristor (English: memristor = memory + resistor) - the basis of a new generation of non-volatile memory devices, which work by using two stable dielectric states: states with high resistance (SHS) and states with low resistance (SSS), resistive switching (RP) between which is carried out by applying external voltage [Waser R., Aono M. // Nature Mater. - 2007. - V. 6. - P. 833-840]. The importance of conducting memristor research is currently evidenced by the inclusion of this research in the International Plan for the Development of Semiconductor Technology (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.As a memristor, the structure is mainly used in the form of metal - dielectric - metal (MDM) capacitors and less often in the form of MIS capacitors, usually on a conductive silicon substrate.

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.For the occurrence of SHS and SNA, as a rule, the molding process is used: applying a voltage to the capacitor that is greater than a certain minimum voltage (molding voltage) and leading to a significant change in the electrophysical properties of the capacitor.

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.Only a few works are known on an attempt to obtain a light-sensitive resistive memory element. These works describe the effect of light on current and resistance when switching to a high-resistance or low-resistance state or several states that differ in resistance.

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.A transistor structure is known in which a current is transferred between a metal source and a drain in a dielectric film [P. Maier, F. Hartmann, M. Rebello Sousa Dias at al. Light sensitive memristor with bi-directional and wavelength-dependent conductance control. Applied physics letters. 109, 023501 (2016)]. In the middle of the dielectric film, quantum dots (QDs) are embedded. This current is controlled by two metal gates applied to the surface of the dielectric film. Capture of carriers by quantum dots provides a change in current during lighting and photo memory. However, such a structure is three-electrode, that is, it differs from the classical capacitor structure of a memristor with two electrodes. In addition, the memory is controlled by a charge on the CT, which tends to drain over time.

Известна МДМ - структура с фоточувствительным диэлектриком весьма сложного и не разработанного в достаточной мере химического состава (Pt/BaTiO3/NiFe2O4/BaTiO3/Au), что уже затрудняет ее производственную реализацию и совместимость с монолитными интегральными схемами на кремнии [

Figure 00000001
Branimir Bajac,
Figure 00000002
Goran M.
Figure 00000003
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.Known MDM - a structure with a photosensitive dielectric of a very complex and not sufficiently developed chemical composition (Pt / BaTiO 3 / NiFe 2 O 4 / BaTiO 3 / Au), which already complicates its production and compatibility with monolithic integrated circuits on silicon [
Figure 00000001
Branimir Bajac,
Figure 00000002
Goran M.
Figure 00000003
Photoresistive switching of multiferroic thin film memristors. Microelectronic Engineering. 2017]. In this work, the current-voltage characteristics (CVC) are presented with a current hysteresis in the dark and in the light of the same monotonous form, but with slightly larger current values under illumination.

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.Numerous two-electrode capacitor-type cells are known from patent RU 2256957 C2, containing layers of organic and inorganic materials that store resistance after applying a threshold voltage and are densified. Such structures are memory cells and can be controlled by both voltage and lighting. But no quantitative characteristics for these cells are given, both in the dark and under lighting.

Известно о создании MoS2 наносферного мемристора с планарными золотыми электродами, который показал переключение сопротивления на свету [Wei Wang, Gennady.N. Panin, Xiao Fu and other. MoS2 memristor with photoresistive switching. Scietificc Reports, August 2016]. Авторы полагают, что новым устройством может управлять поляризация наносфер MoS2, 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 MoS2 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.It is known to create a MoS 2 nanospheric memristor with planar gold electrodes, which showed the switching of light resistance [Wei Wang, Gennady.N. Panin, Xiao Fu and other. MoS 2 memristor with photoresistive switching. Scietificc Reports, August 2016]. The authors believe that the polarization of MoS 2 nanospheres can control the new device, which causes the resistance to switch in an electric field in the dark or under low-light white light due to the occurrence of conductivity wires. Memristor switching provides multi-level memorization. The ratio of resistances in the on and off mode is ten times greater in the light than in the dark. The authors believe that the MoS 2 memristor has great potential, since the multifunctional device is designed using cost-effective manufacturing methods. However, the technology used by the authors requires high-resistance substrates, for example, semiconductor wafers coated with a thick dielectric. In addition, the planar arrangement of the electrodes and the high resistance of the memristor layers can lead to a strong environmental effect and require careful protection from the influence of the latter.

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.From patent RU 2580905 C2, a photo-switchable and an electric switchable organic field-effect transistor is known, a method for its manufacture and its use as a memory device. An organic field-effect transistor with a layer of photochromic compounds at the insulator-semiconductor interface is proposed as a light-controlled memory device, which ensures the appearance of a charge and its control at this interface, which is similar to the operation of an MNOS transistor used in flash memory. This device is technically more complex than a classic memristor and is controlled by a charge, which tends to drain as the information is stored. As you know, memorial memory is not inherent in the last drawback.

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⋅106 (reset) до 5⋅105 (set) Ом и на свету от 1,5⋅107 (RESET) до 3⋅106 (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.Photocatalytic oxidation of graphene with ZnO nanoparticles is known to create a light sensitive memristor [Olesya O. Kapitanoval, Gennady N. Panin At. All. Formation of Self-Assembled Nanoscale Graphene / Graphene Oxide Photomemristive Heterojunctions using Photocatalytic Oxidation. - NANO-113106.R2, 2017] A memristor is created on the basis of oxidized silicon with planar electrodes from Au and changes its resistance when switching voltage in the dark from 4⋅10 6 (reset) to 5⋅10 5 (set) Ohm and in the light from 1.5⋅10 7 (RESET) to 3⋅10 6 (SET) Ohm. A very slight effect of the influence of light is visible. In addition, the structure of such a memristor is different from the traditional one, which makes it impossible to use electrodes for switching crosshairs, as is done in crossbars.

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.From US 20160370682 A1, various structures and materials for light sensitive synaptic nanodevices based on alternating layers of metals, dielectrics and semiconductors are known. Planar structures are proposed when a light-sensitive film (including a multilayer film) is located on an oxidized silicon substrate and capacitor structures with a photosensitive material between metal plates. No specific characteristics of the devices: molding, switching and memory in the dark and in the light are not given in the document.

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.From the publication WO 2016171700 A1 of 10.27.2016, optical memory devices are known which can be used in optical programming devices. For example, we cite the principle of operation of one of such devices proposed in the document. In a metal waveguide filled with a semiconductor with memristive dielectric baffles, the current through which is controlled by the voltage on the plates of the MDM capacitor and, thus, the electromagnetic radiation passing through the semiconductor can be controlled by the state of the memristor (SET and RESET) and the number of memristors transferred to these states. The publication does not present the practical results of the implementation of the proposed ideas.

Из патента US 8542518 В2, от 24.09.2013 известен фоторезистивный мемристивный элемент с похожим механизмом действия, основанный на двухслойном наноконденсаторе со структурой Pt/TiOx/TiO2/Pt. Фоточувствительность в этом элементе обусловлена изменением сопротивления диэлектрической пленки TiOx 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.From patent US 8542518 B2, dated September 24, 2013, a photoresistive memristive element with a similar mechanism of action is known, based on a two-layer nanocondenser with a Pt / TiO x / TiO 2 / Pt structure. The photosensitivity in this element is due to a change in the resistance of the dielectric TiO x film under illumination. However, it is known that dielectrics are less sensitive to light than semiconductors and can be very inertial due to the presence of a high concentration of electron traps in them, very small effects of light exposure are given in the patent. Also, the proposed photosensitive cell is poorly integrated into the planar-epitaxial silicon integrated circuit technology and is very limited in the selection of dielectric layer material. In an MIS capacitor, in the presence of a potential barrier in the semiconductor, which is easy to obtain, separation of photoelectrons and photoholes occurs during illumination, which determines the high speed and photosensitivity of the semiconductor. Also in the pn junction there is a potential barrier with similar effects. The proposed cell is very versatile in terms of the choice of technologies and materials for its manufacture and is easily integrated into planar-epitaxial silicon technology for the manufacture of integrated circuits and similar technologies based on other semiconductor materials.

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).The closest in technical essence and the achieved technical result to the proposed invention is a method of resistive switching in MIS structures based on silicon, stimulated by light, disclosed in the article "Light-stimulated resistive switching in structures metal-insulator-semiconductor based on silicon" (Tikhov S. V., Gorshkov O.N., Koryazhkina M.N., Antonov I.N., Kasatkin A.P. // PZhTF. T. 10. 2016. S. 78-86), adopted for the closest analogue (prototype) .

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 ZrO2 (Y2O3) - YSZ (Yttria-stabilized zirconia). Освещение осуществляют несфокусированным светом от галогенной лампы мощностью 50 Вт (соответствует плотности потока квантов (ППК) ~ 1015фотонов/см2⋅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.In the prototype method, resistive switching is performed in MIS structures based on silicon, stimulated by light. One of the high-k dielectrics — zirconia stabilized with yttrium oxide ZrO 2 (Y 2 O 3 ) —YSZ (Yttria-stabilized zirconia), is used as the dielectric in these structures. Lighting is carried out by unfocused light from a 50 W halogen lamp (corresponds to a flux density of quanta (FLC) of ~ 10 15 photons / cm 2 ⋅ s). Such lighting reduces the resistance of the space charge region (SCR) of the semiconductor and increases the voltage drop across the dielectric, which leads to the formation of conductive cords in the dielectric. However, such lighting only causes the dielectric to be molded and does not further affect switching characteristics.

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.The objective of the invention is to create a method for controlling the operation of a memristive capacitor MIS structure based on a controlled change in the resistance of the semiconductor wrap of the capacitor under the action of high-intensity light, and thereby, on a smooth change in the voltage drop across the dielectric film.

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.The technical result is the expansion of the resistance limit in low-resistance and high-resistance states, reducing the likelihood of errors when reading the state of the memristor. Lighting also reduces the series resistance of the memristor, which significantly increases the speed when reading a high resistance state. Light control of the memristive structure expands the range of technical applications of resistive memory.

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 1015÷1017 см-3, 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 1018÷1021 фотонов/см2⋅с структур со стороны металлического электрода и диэлектрика в области собственной фоточувствительности обкладки полупроводника.This is achieved by the fact that the method of controlling the memristive capacitor structure of a metal - dielectric - semiconductor, in which the dielectric and the semiconductor are connected in series with respect to each other, the dielectric is made of non-photosensitive material, and the semiconductor substrate is made of a photosensitive material containing an alloying impurity at concentrations of 10 15 ÷ 10 17 cm -3 , ensuring the commensurability of the capacitance or conductivity of the dielectric and the space charge region of the semiconductor and with the absence of fixing the Fermi level at the interface between the dielectric and the semiconductor, by adjusting the electric field strength and the current in the dielectric during its molding and switching due to a change in the resistance of the semiconductor substrate due to changes in the capacitance and conductivity of the space charge region in the semiconductor using light high intensity 10 18 ÷ 10 21 photons / cm 2 ⋅c of structures from the side of the metal electrode and dielectric in the region of intrinsic photosensitivity of the plate semiconductor.

На фиг. 1 представлен схематический разрез и химический состав мемристивных структур, где: а) МДП-планарная структура; б) МДМ-структура; в) МДП-меза структура.In FIG. 1 shows a schematic section and chemical composition of memristive structures, where: a) MIS planar structure; b) MDM structure; c) MIS-mesa structure.

На фиг. 2 представлен примерный вид равновесных энергетических диаграмм, где: а) планарная структура на Si; б) МДП-меза структура на GaAs. На фигуре обозначены: Ес и Ev - энергии, соответствующие дну зоны проводимости и потолку валентной зоны полупроводника; Есд и Е - энергии, соответствующие дну зоны проводимости и потолку валентной зоны для диэлектрика, F - уровень Ферми (энергия Ферми).In FIG. Figure 2 shows an exemplary view of equilibrium energy diagrams, where: a) a planar structure on Si; b) MIS mesa structure on GaAs. The figure indicates: E c and E v are the energies corresponding to the bottom of the conduction band and the ceiling of the valence band of the semiconductor; E sd and E vd are the energies corresponding to the bottom of the conduction band and the ceiling of the valence band for the dielectric, F is the Fermi level (Fermi energy).

На фиг. 3 представлены ВАХ структуры Au/Zr/YSZ/Sb/SiO2/n-Si, полученные в случае скорости развертки по напряжению 0,18 В/с. Площадь конденсатора S ≈ 2⋅10-3 см2. Стрелками показано направление развертки по напряжению: кривая 1 - в темноте; кривая 2 - на свету. ИС - исходное состояние структуры до формовки.In FIG. Figure 3 shows the I – V characteristics of the Au / Zr / YSZ / Sb / SiO 2 / n-Si structure obtained at a voltage scan rate of 0.18 V / s. The capacitor area S ≈ 2⋅10 -3 cm 2 . The arrows indicate the direction of the voltage scan: curve 1 - in the dark; curve 2 - in the light. IP - the initial state of the structure before molding.

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 ≈ 10-3 см2. 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.In FIG. Figure 4 shows the I – V characteristics of an MIS capacitor with a 40 nm thick YSZ film, measured at a voltage scan duration of 0.18 V / s. The capacitor area S ≈ 10 -3 cm 2 . Curves 3, 4 - in the dark, curves 5, 6 - when illuminated with focused light from a 40 W halogen lamp. The arrows indicate the direction of change of the switching voltage from SHS to SNA. The dashed curves show the I – V characteristics reproduced after switching in the SNA.

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 ≈ 10-3 см2. Кривые 7, 8 - в темноте, кривые 9, 10 - при освещении сфокусированным светом от галогенной лампы 40 В.In FIG. Figure 5 shows the I – V characteristics of an MIS capacitor with a 40 nm thick YSZ film, measured at a voltage scan duration of 0.18 V / s. The capacitor area S ≈ 10 -3 cm 2 . Curves 7, 8 - in the dark, curves 9, 10 - when illuminated with focused light from a 40 V halogen lamp.

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.In FIG. Figure 6 shows the switching curves of the I – V characteristics of an MDM capacitor with a YSZ film with different limiting currents of 0.1; one; 10 mA to the low-resistance state - curves 11, 12, 13, respectively, and to the high-resistance state - curve 14. The voltage sign is indicated for the gold electrode. At V> 0, switching to SHS occurs only in the absence of current limitation. The switching current in this case is 100 mA.

На фиг. 7 представлены ВАХ МДП-меза структуры с p-n переходом на GaAs площадью 4,9⋅10-4 см2. 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).In FIG. Figure 7 shows the I – V characteristics of an MIS Mesa structure with a pn junction on GaAs with an area of 4.9 × 10 -4 cm 2 . Curve 15 - in the high-resistance initial state in the dark, 16 - after switching to the low-resistance state in the dark, 17 - in the low-resistance state when illuminated with red light with a power of 1.5 W laser (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.In FIG. Figure 8 shows the kinetics of the effect of the laser pulse on the current in the MIS Mesa structure at -1 V in the conducting state (set) at different light intensities. Power (P), W: curve 18-1.5; curve 19 - 0.58.

Предлагаемый способ управления работой мемристивной конденсаторной МДП-структуры осуществляют следующим образом.The proposed method for controlling the operation of a memristive capacitor MIS structure is as follows.

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 1018÷1021 фотонов/см2⋅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.The method is carried out using memristive capacitor MIS structures on silicon or gallium arsenide using mesa structures with a pn junction facing the p-region dielectric (i.e., the dielectric and the semiconductor are connected in series with respect to each other). The structures illuminate with high-intensity light 10 18 ÷ 10 21 photons / cm 2 ⋅ s from the side of the metal electrode and dielectric in the region of intrinsic photosensitivity of the semiconductor wrap. Lighting causes molding to occur due to a drop in the resistance of the semiconductor wafer and an increase in the voltage drop across the dielectric and the current flowing through it necessary for molding (the appearance of conductive filaments or filaments otherwise) shunting the MIS capacitor. The IV characteristics of such structures after molding demonstrate the effects of resistive switching and memory, i.e. Resistive switching in the dark appears, which can be controlled by lighting.

Обязательным условием осуществления предлагаемого способа является использование мемристивных конденсаторных МДП-структур, в которых:A prerequisite for the implementation of the proposed method is the use of memristive capacitor MIS structures, in which:

- диэлектрик и полупроводник включены последовательно по отношению к друг другу;- the dielectric and the semiconductor are connected in series with respect to each other;

- диэлектрик выполнен из материала, не являющегося светочувствительным;- the dielectric is made of a material that is not photosensitive;

- 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);- the semiconductor wafer contains a light-sensitive region, with the help of illumination of which at a given switching voltage, the current through the dielectric can be varied, both in the conducting state and in the initial high-resistance state (molding);

- 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.- the content of fine impurities in the semiconductor and the density of surface states (PS), provides the commensurability of the capacitances or conductivities of the dielectric and the SCR of the semiconductor, and, secondly, with the formation of structures with a low density of PS at the insulator-semiconductor interface to eliminate the fixation (pinning) of the Fermi level on this border.

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.The operation of the memristive structure (memristor) is carried out by adjusting the electric field strength and the current in the dielectric when it is molded and switching due to a change in the resistance of the semiconductor substrate due to a change in the capacitance and conductivity of the space charge region in the semiconductor by changing the lighting through practically transparent to light a metal electrode and a dielectric with a wavelength of 660 nm, which excites an intrinsic photoresponse in the semiconductor and lowers the potential flax barrier at the interface with dielectric and a p-n junction. The intrinsic photosensitivity range extends from short wavelengths of 400 nm to 1130 nm for silicon and from 400 nm to 870 nm for gallium arsenide.

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.An increase in conductivity or an increase in capacitance causes a redistribution of the voltage applied to the memristor on the dielectric, removing the current limitation through it and thereby causing it to form or switch.

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.To achieve the most efficient switching, the resistance and capacitance of the dielectric and the surface region of the semiconductor should be comparable. Thus, using a semiconductor wafer create a series-dependent resistance or capacitance that limits the current through the dielectric. Current limitation reduces the number of switching filaments and thus reduces the current in the conductive state. When illuminated, the voltage drop across the dielectric increases, which causes the formation or increase of the switching voltage across the dielectric. An increase in the number of switching filaments in the latter case increases the current in the conducting state. The region of spectral sensitivity of this effect corresponds to that for a semiconductor, and its absolute value and speed is determined by the presence of a potential barrier in the semiconductor. This can be, for example, a layer depleted in the main charge carriers at the surface of the semiconductor, bordering the dielectric, or a p + -n junction, facing the p-region to the dielectric. The dielectrics used in memristors are usually not sensitive to light in the visible and infrared regions of the spectrum. Photosensitivity in the present invention is determined by the photosensitivity of the SCR semiconductor. To increase the efficiency of the influence of light on switching, it is necessary to reduce or completely eliminate the influence of capture of free carriers, which reduces the current in the semiconductor under illumination. The last problem can be solved by creating a non-symmetric p + -n junction, facing the dielectric heavily doped with p-region. This is due to the fact that the heavily doped semiconductor region is similar to metal and practically does not contain PS, and the metallurgical boundary of the p + and n regions in the pn junction also does not contain these states because of its high perfection, as it is formed by the method of homoepitaxy.

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.The spectral photosensitivity palette can be changed by selecting the appropriate semiconductor materials. In InSb, for example, the intrinsic response or photoconductivity may be limited on the short-wavelength side to 12.3 μm. The use of different semiconductor wafers makes it possible to use a very wide range of light wavelengths from 13 microns to 400 nm to influence resistive switching.

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.Thus, the present invention provides an extension of the resistance limit in low-resistance and high-resistance states, which in turn affects the reduction of the probability of error when working in the read mode of recorded information, the expansion of the spectral range of light exposure. Lighting also reduces the series resistance of the memristor, which significantly increases the speed when reading a high resistance state. Light control of resistive memory in a dielectric expands the range of technical applications of resistive memory.

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.The present invention makes it possible to create photosensitive matrices for neural circuits and the development of technology in the current field of manufacturing memristors, which are the basis of a new generation of non-volatile memory devices. The individual elements of such a matrix are MIS capacitors that are molded and switched under the influence of light and voltage.

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.The proposed method differs from those described as prototypes, both in the structure of the memristor cell which is used, including a mesa structure with a pn junction, and in the type of implementation of the influence of lighting, based on a controlled change in the resistance of the semiconductor lining of the capacitor under the action of high-intensity light , and thereby, on a smooth change in the voltage drop across the dielectric film. These structures use materials whose production technology (and drawings of integrated circuits) is well developed and compatible with the widely used planar epitaxial silicon technology.

Ниже представлены примеры конкретного осуществления предлагаемого способа.Below are examples of specific implementation of the proposed method.

Пример 1.Example 1

Управление работой мемристора планарной структуры с обедненным слоем на границе раздела диэлектрик-полупроводник Au/Zr/YSZ/Sb/SiO2/n-Si.Management of the depleted-layer memristor of the planar structure at the insulator-semiconductor interface Au / Zr / YSZ / Sb / SiO 2 / n-Si.

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 SiO2. На этот слой осаждают слой Sb толщиной ~ 2 нм МОС-гидридным методом из источника триметилсурьмы в атмосфере водорода при температуре 450°С. Оксид SiO2 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. % Y2O3) 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].For the structure whose schematic representation is shown in FIG. 1a, single-crystal n-Si wafers (KEF-4.5) with a crystallographic orientation of (100) coated with a tunnel thin layer of SiO 2 are used as a semiconductor wafer. A ~ 2 nm thick Sb layer is deposited on this layer by the MOS hydride method from a source of trimethylantimony in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C. SiO 2 oxide is created by sequential treatment of the Si surface in hydrofluoric acid, and then in a mixture of sulfuric acid with hydrogen peroxide. A 40 nm thick YSZ layer (12 mol% Y 2 O 3 ) was deposited onto this substrate by RF magnetron sputtering at a temperature of 300 ° C using a 2g1-1g2-eb4-th1 Torr International installation. The structure thus obtained is annealed for a short time (2 min) in an argon atmosphere at a temperature of 450 ° C. The method used to produce oxide, the subsequent deposition of an antimony layer on it, and thermal annealing make it possible to create a Si surface with a relatively low density of surface states (PS) and with the presence of regions of electric field concentrators on it to form filaments. After annealing, the upper electrodes translucent for illumination of 20 nm thick (with a 3-nm thick Zr sublayer to improve adhesion) are deposited onto the surface of the dielectric layer by direct current magnetron sputtering. An ohmic contact to the silicon wafer is created by burning an electric discharge of Sn (10% Sb) metal foil. An exemplary view of the equilibrium energy diagram of the structure is shown in FIG. 2a. The presence of depletion of the near-surface layer in the semiconductor at the interface with the dielectric is determined by the sign of the strong-signal barrier photoEMF (it corresponds to the value of the potential barrier ≈ 0.3 V). [Application of the method of high-signal capacitor photo-emf to determine some parameters. S.V. Tikhov. // FTP. 1995.15.29. issue 4. p. 742-749].

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⋅1018 фотонов/см2с в сфокусированном пятне 1 см2. То есть плотность потока квантов, падающего на структуру составляет 4,2⋅1018 фотонов/см2с. Интенсивность излучения (величину ППК) уменьшают с помощью нейтральных фильтров.Then, the I – V characteristics of the structure are measured on Si at a voltage of V <0 on Au (determined relative to the semiconductor wrap) in the dark and under illumination (Fig. 3). All I – V characteristics are measured on an Agilent B1500A semiconductor analyzer. Focused light is produced using a halogen incandescent lamp with an electric power of 40 watts. The light output from this lamp is ≈ 1.2 W. The maximum of light radiation is observed at a wavelength of 660 nm and corresponds to a flux of quanta ≈ 4.2⋅10 18 photons / cm 2 s in a focused spot of 1 cm 2 . That is, the density of the flux of quanta incident on the structure is 4.2 × 10 18 photons / cm 2 s. The radiation intensity (value PPC) is reduced using neutral filters.

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].The effect of lighting on the process of molding a dielectric in an MIS structure is investigated. As is known in MIS structures, the applied voltage V is divided between a semiconductor and a dielectric due to their series connection [V.N. Ovsyuk. Electronic processes in semiconductors with space charge regions. (Novosibirsk, Science, Sib. Branch, 1984), p. 252.]. In FIG. Figure 3 shows that in the dark the current I is small (curve 1) and practically does not depend on voltage. Forming does not occur. This can be explained by the predominant voltage drop across the electron-depleted SCR on the surface of a semiconductor adjacent to a dielectric. This state can be almost stationary if there is a leak of holes from the semiconductor to the dielectric [F.H. Hielsher, N.M. 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.Lighting with a halogen lamp causes molds to appear. When illuminated, the concentration of electrons and holes increases sharply, the SCR resistance decreases, and the capacitance increases, and the voltage is redistributed from the semiconductor to the dielectric. The density of the current flowing through the dielectric, in this case, is sufficient for the molding of the dielectric and the formation of filaments. The current through the dielectric increases and then retains the value corresponding to the low-resistance state (SSS) of the dielectric (curve 2). The subsequent measurement of the I – V characteristic reproduces under illumination a curve corresponding to the state of the SNA.

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).In FIG. 4, the subsequent switching after dielectric molding in the dark and in the light for the MIS structure on Si at a voltage V <0 on Au is illustrated. Curves 3 and 5 when switching from SHS to a low-impedance state in the dark and under lighting, respectively. Curves 4 and 6 in the SNA in the dark and under lighting, respectively. It can be seen that the illumination reduced the limiting effect of the resistance layer of the layer depleted in the main charge carriers in the semiconductor, increased the current in the SNA and decreased the threshold voltage for switching from SSS to SHS (compare curves 3 and 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.A feature of the molding and switching curves of memristive MIS structures is the practical coincidence of currents in the initial state (IC) and SHS in the dark and in the light. This circumstance can be explained by the high resistance of the semiconductor and its weak dependence on lighting and the capture of carriers on the PS.

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.In FIG. 5 illustrates the effect of lighting on bipolar switching curves of a planar structure. The increase in currents when switching to light is due to a decrease in the value of the series resistance of the capacitor due to a decrease in the limiting resistance of the semiconductor lining (compare curves 7, 8 and 9, 10). It can be seen that for both switching polarities, the light current in the SNA state exceeds the corresponding current in the dark by 2 orders of magnitude. When illuminated, the multiplicity of the ratio of the current in the SNA state with respect to the SHS state also increases by two orders of magnitude. It is established that a decrease in the limiting resistance of the semiconductor wrap also leads to an increase in the speed of memristors due to a decrease in the RC value.

Пример 2.Example 2

Управление работой МДМ-мемристора со структурой Au/Zr/YSZ/TiN на подложке из кремния.Control the operation of an MDM memristor with an Au / Zr / YSZ / TiN structure on a silicon substrate.

МДМ-структуру (фиг. 1б) формируют на подложке Si(001), покрытой слоем SiO2 толщиной ≈0,5 мкм, поверх которого наносят нижнюю обкладку конденсатора площадью ~ 1 см2 из слоя TiN (25 нм) с подслоем Ti (25 нм). Методика получения слоя YSZ и верхней обкладки (площадь ~10-3 см2) не отличалась от описанной выше для МДП-конденсатора.The MDM structure (Fig. 1b) is formed on a Si (001) substrate coated with a ≈0.5 μm thick SiO 2 layer, on top of which a lower capacitor plate with an area of ~ 1 cm 2 from a TiN layer (25 nm) with a Ti sublayer (25 nm). The method of obtaining the YSZ layer and the upper lining (area ~ 10 -3 cm 2 ) did not differ from that described above for the MIS capacitor.

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.The importance of the voltage and switching currents in the dielectric (which in the case of the MIS structure can be controlled by the state of the semiconductor wrap) is indicated by the dependences shown in FIG. 6. From the I – V characteristics of the switching of these dependences, it is seen that the limitation of the switching current led to a decrease in the current in the conducting state of the memristor (Fig. 6, curves 11-13). This was due to the sequential inclusion of ohmic resistance in the memristor circuit, which reduces the current and confirms the above-proposed mechanism of the influence of lighting associated with an increase in voltage and current through the dielectric due to a decrease in the resistance of the semiconductor lining.

Пример 3.Example 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/.Controlling the operation of an MIS mesastructure with a pn junction facing the p-type conducting region to a dielectric, Au / Zr / YSZ / p-GaAs / n-GaAs / n + -GaAs / Sn /.

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 n0, равной 1017 см-3 и p-GaAs толщиной ~0,1 мкм с равновесной концентрацией дырок p0, равной 1⋅1019 см-3, 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/ см2 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

Figure 00000004
[К.В. Шалимова. Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985. - 392 с.], где k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кельвина, q - заряд электрона, р0 и n0 - концентрации равновесных дырок и электронов, ni-концентрация собственных носителей в GaAs и составило 1,3 В. Омическтй контакт к n+GaAs создается вжиганием в него электрическим разрядом фольги из Sn.The structure shown in FIG. 1c, they are formed on the basis of n + -GaAs single-crystal plates with the (001) orientation with n-GaAs layers ~ 1 μm thick with an equilibrium electron concentration n 0 equal to 10 17 cm -3 and p-GaAs layers ~ 0.1 μm thick with equilibrium hole concentration p 0 equal to 1⋅10 19 cm -3 obtained by the method of MOS - hydride epitaxy. YSZ films are applied to a surface formed by the magnetron method at a substrate temperature of 200 ° C. The thickness of the dielectric layer is 40 nm. A control transparent metal electrode made of Au (20 nm thick) with a Zr sublayer (3 nm thick) is applied to the dielectric surface by direct current magnetron sputtering to improve adhesion. The gallium arsenide pn junction is formed in the substrate to eliminate the influence of high-density PS that can form at the insulator – GaAs interface [N.L. Dmitruk. University News of the USSR. Physics, vol. 1, 38 (1980). IN AND. White, V.R. Belosludov. In the book. Modern problems of physics and surface chemistry of semiconductors. Novosibirsk (1988)]. The heavily doped p + -GaAs layer behaves like a metal and does not contain PS at the dielectric interface, and the p + -GaAs-n-GaAs interface does not contain PS, due to its homoepitaxiality. To eliminate leakage along the p-layer, a mesa structure was created and the pn junction boundary was irradiated with protons with an energy of 50 keV and a dose of 10 μC / cm 2 to obtain an insulating layer (S.V. Tikhov, V.V. Martynov, A.N. Kalinin, EI Zorin. The effect of proton irradiation on the properties of the metal (Au) - anode oxide - gallium arsenide structure. Izvestiya VUZov. Physics. 1983, No. 5, pp. 89-92). The value of the contact potential difference in the transition was calculated by the formula
Figure 00000004
[K.V. Shalimova. Semiconductor Physics. M., Energoatomizdat, 1985. - 392 p.], Where k is the Boltzmann constant, T is the temperature in degrees Kelvin, q is the electron charge, p 0 and n 0 are the concentrations of equilibrium holes and electrons, n i is the concentration of intrinsic carriers in GaAs was 1.3 V. The ohmic contact to n + GaAs is created by burning Sn foil with an electric discharge.

Примерный вид равновесной энергетической диаграммы МДП меза-структуры с p-n переходом показан на фиг. 2, б.An exemplary view of the equilibrium energy diagram of the MIS MES structure with a pn junction is shown in FIG. 2, b.

Меза-структуру освещают красным лучом от лазера LSR-660 1500 (длина волны 660 нм, мощность излучения 1,5 Вт) полоской площадью 5 мм2 потоком фотонов ≈ 3⋅1018 в секунду (ППК ≈ 6⋅1021 фотонов/ см2⋅с). Интенсивность излучения (величину ППК) уменьшают с помощью нейтральных фильтров.The mesa structure is illuminated with a red beam from a LSR-660 1500 laser (wavelength 660 nm, radiation power 1.5 W) with a strip of 5 mm 2 photon flux ≈ 3 × 10 18 per second (BCP ≈ 6 × 10 21 photons / cm 2 ⋅c). The radiation intensity (value PPC) is reduced using neutral filters.

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).The effect of laser irradiation on currents in a conducting state for the mesa structure is shown in FIG. 7 and 8. It is characterized by a significant effect: the current values in the light are 4 orders of magnitude higher than those in the dark (Fig. 7, curves 16 and 17) and are practically inertia-free and strongly dependent on the level of illumination (Fig. 8, curves 18 and 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.Thus, the proposed method for controlling the operation of memristive MIS structures with the help of light makes it possible to adjust such switching parameters as the molding voltage and switching voltage, the ratio of currents (resistances) in the state of the SHS and SSS and the speed when reading the states of the IS and SHS due to changes the magnitude of the series resistance determined by the semiconductor. Reduces the likelihood of errors when reading the state of the memristor.

Claims (4)

1. 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 1015÷1017 см-3, обеспечивающего соизмеримость емкостей или проводимостей диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника и отсутствие 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 1018÷1021 фотонов/см2⋅с структур со стороны металлического электрода и диэлектрика в области собственной фоточувствительности обкладки полупроводника.1. A method of controlling the operation of a memristive capacitor metal-insulator-semiconductor structure, in which the dielectric and the semiconductor are connected in series with respect to each other, wherein the dielectric is made of a non-photosensitive material, and the semiconductor substrate is made of a photosensitive material containing dopant in concentrations of 10 15 ÷ 10 17 cm -3 , ensuring the commensurability of the capacitances or conductivities of the dielectric and the space charge region of the semiconductor and the absence of fixation Fermi equilibrium at the interface between a dielectric and a semiconductor, by adjusting the electric field strength and the current in the dielectric during its molding and switching due to a change in the resistance of the semiconductor substrate due to a change in the capacitance and conductivity of the space charge region in the semiconductor using high-intensity light 10 18 ÷ 10 21 photons / cm 2 ⋅ s of structures from the side of the metal electrode and dielectric in the region of intrinsic photosensitivity of the semiconductor wrap. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления способа используют МДП-структуру с обедненным слоем на границе раздела диэлектрик-полупроводник Au/Zr/YSZ/Sb/SiO2/n-Si.2. The method according to p. 1, characterized in that for the implementation of the method using a MIS structure with a depleted layer at the interface of the insulator-semiconductor Au / Zr / YSZ / Sb / SiO 2 / n-Si. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют МДП-мезаструктуру с p-n переходом, обращенным проводящей областью p-типа к диэлектрику, Au/Zr/YSZ/p-GaAs/n-GaAs/n+-GaAs/Sn/.3. The method according to p. 1, characterized in that they use an MIS mesastructure with a pn junction facing the p-type conducting region to the dielectric, Au / Zr / YSZ / p-GaAs / n-GaAs / n + -GaAs / Sn /. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фоточувствительность предлагаемых устройств определяется собственной фоточувствительностью для кремния 400÷1100 нм и для GaAs - 400÷870 нм при комнатной температуре.4. The method according to p. 1, characterized in that the photosensitivity of the proposed devices is determined by their own photosensitivity for silicon 400 ÷ 1100 nm and for GaAs - 400 ÷ 870 nm at room temperature.
RU2018146455A 2018-12-26 2018-12-26 Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure RU2706197C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146455A RU2706197C1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146455A RU2706197C1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2706197C1 true RU2706197C1 (en) 2019-11-14

Family

ID=68579961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018146455A RU2706197C1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2706197C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737794C1 (en) * 2019-12-10 2020-12-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method to control operation of memristor and device for implementation thereof
RU2744246C1 (en) * 2019-12-10 2021-03-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Device for switching memristor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8542518B2 (en) * 2010-03-31 2013-09-24 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Photo-responsive memory resistor and method of operation
RU149246U1 (en) * 2014-08-01 2014-12-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" ELEMENT OF RESISTIVE ENERGY INDEPENDENT MEMORY
RU2585963C1 (en) * 2015-04-08 2016-06-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining electrophysical parameters of capacitor structure of memristor characterising moulding process
WO2016171700A1 (en) * 2015-04-23 2016-10-27 Halliburton Energy Services, Inc. Spectrally programmable memristor-based optical computing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8542518B2 (en) * 2010-03-31 2013-09-24 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Photo-responsive memory resistor and method of operation
RU149246U1 (en) * 2014-08-01 2014-12-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" ELEMENT OF RESISTIVE ENERGY INDEPENDENT MEMORY
RU2585963C1 (en) * 2015-04-08 2016-06-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method of determining electrophysical parameters of capacitor structure of memristor characterising moulding process
WO2016171700A1 (en) * 2015-04-23 2016-10-27 Halliburton Energy Services, Inc. Spectrally programmable memristor-based optical computing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.B. Тихов, О.Н. Горшков, М.Н. Коряжкина, И.Н. Антонов, А.П. Касаткин, Стимулированное светом резистивное переключение в структурах металл-диэлектрик-полупроводник на основе кремния, Письма в ЖТФ, том 42, вып. 10, 2016. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737794C1 (en) * 2019-12-10 2020-12-03 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method to control operation of memristor and device for implementation thereof
RU2744246C1 (en) * 2019-12-10 2021-03-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Device for switching memristor
WO2021118415A1 (en) * 2019-12-10 2021-06-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Method for controlling the operation of a memristor and device for the implementation thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. Capping CsPbBr 3 with ZnO to improve performance and stability of perovskite memristors
US8008648B2 (en) Memristors with insulation elements and methods for fabricating the same
KR101468521B1 (en) Memristive device and methods of making and using the same
Miller et al. Memristive behavior in thin anodic titania
Lin et al. An organic–inorganic hybrid perovskite logic gate for better computing
Jilani et al. Studies on resistive switching characteristics of aluminum/graphene oxide/semiconductor nonvolatile memory cells
Guan et al. A solution‐processed all‐perovskite memory with dual‐band light response and tri‐mode operation
US9520445B2 (en) Integrated non-volatile memory elements, design and use
TWI523290B (en) Memristors with asymmetric electrodes
KR101805827B1 (en) Negative differential resistance including trap layer and its manufacturing method
US8501621B2 (en) Method of fabrication of the memristive device
RU2706197C1 (en) Method of controlling operation of a metal-insulator-semiconductor membrane capacitor structure
US11031551B2 (en) Light-activated switching resistor, an optical sensor incorporating a light-activated switching resistor, and methods of using such devices
Sun et al. Effect of carrier screening on ZnO-based resistive switching memory devices
Xie et al. Light-controlled resistive switching and voltage-controlled photoresponse characteristics in the Pt/CeO2/Nb: SrTiO3 heterostructure
US8487289B2 (en) Electrically actuated device
Tang et al. Analog-type resistive switching behavior of Au/HfO2/ZnO memristor fabricated on flexible Mica substrate
Molina‐Mendoza et al. Nonvolatile programmable WSe2 photodetector
Zhang et al. Memristive behavior of ZnO/NiO stacked heterostructure
Pei et al. Forming free bipolar ReRAM of Ag/a-IGZO/Pt with improved resistive switching uniformity through controlling oxygen partial pressure
KR101004736B1 (en) Nonvolatile resistive memory device and manufacturing method of the same
Aziz et al. Improved memory performance of ALD grown HfO2 films by nitrogen doping
Briggs et al. Influence of copper on the switching properties of hafnium oxide-based resistive memory
Padmanabhan et al. Dynamical properties of optically sensitive metal-insulator-semiconductor nonvolatile memories based on Pt nanoparticles
Fink et al. Characterization of “TEMPOS”: a new tunable electronic material with pores in oxide on silicon