RU2787740C1

RU2787740C1 - Method for reversible volatile switching of the resistive state of a solid-state apparatus based on a metal-dielectric-metal structure

Info

Publication number: RU2787740C1
Application number: RU2021138358A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Олегович Филатов; Алексей Сергеевич Новиков; Мария Евгеньевна Шенина; Иван Николаевич Антонов; Валентина Евгеньевна Котомина
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-01-12

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to methods for applying electrical apparatus and to nanocomposite materials based on dielectrics and metals for use in optoelectronics, memristor electronics, and optical computers (including neuromorphic optoelectronic computing systems). Method for reversible volatile switching of the resistive state of a solid-state apparatus based on a metal-dielectric-metal structure containing embedded mutually isolated metal nanoparticles with a size of 1 to 3 nm in the middle (in the dielectric layer), as well as at least one of the electrodes made of a conductive optical emission-transparent material; wherein, according to the invention, the reversible volatile switching of the resistive state of the apparatus is performed by illuminating the area of the dielectric containing nanoparticles with optical emission at the wavelength corresponding to the plasmon resonance wavelength in the mass of nanoparticles, while applying an electric voltage to the electrodes of the structure, so as to create an electric field with an intensity insufficient to change the resistive state of the structure in the absence of illumination in the dielectric layer.

EFFECT: possibility of improving the reproducibility of parameters of the memristor.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам применения электрических приборов, нанокомпозитным материалам на основе диэлектриков и металлов для оптоэлектроники, мемристорной электроники, оптическим компьютерам (в т.ч. - нейроморфным оптоэлектронным вычислительным системам).The invention relates to methods of using electrical devices, nanocomposite materials based on dielectrics and metals for optoelectronics, memristor electronics, optical computers (including neuromorphic optoelectronic computing systems).

Заявляемый способ переключения твердотельного прибора на базе структуры металл-диэлектрик-металл представляет собой оптически управляемый мемристор, предназначенный для осуществления переключения между двумя (или несколькими) метастабильными состояниями сопротивления под действием импульсов электрического напряжения, подаваемыми на электроды, и одновременно оптического излучения (постоянного или импульсного) с определенной длиной волны, подаваемого в активную область прибора в виде сфокусированного луча, по цилиндрицескому или планарному оптическому волноводу и т.п. Предназначение прибора состоит в управлении величиной силы электрического тока, протекающего через прибор, при помощи внешнего оптического сигнала. Важной особенностью такого прибора является то, что значение электрического сопротивления прибора, установившееся под действием оптического излучения, сохраняется после выключения оптического сигнала на период до 10 лет, даже при отсутствии напряжения между электродами (т.е. прибор реализует эффект оптически управляемой энергонезависимой резистивной памяти).The claimed method for switching a solid-state device based on a metal-dielectric-metal structure is an optically controlled memristor designed to switch between two (or several) metastable states of resistance under the action of electric voltage pulses applied to the electrodes and simultaneously optical radiation (constant or pulsed ) with a certain wavelength, supplied to the active region of the device in the form of a focused beam, through a cylindrical or planar optical waveguide, etc. The purpose of the device is to control the amount of electric current flowing through the device using an external optical signal. An important feature of such a device is that the value of the electrical resistance of the device, established under the action of optical radiation, is retained after the optical signal is turned off for a period of up to 10 years, even if there is no voltage between the electrodes (i.e., the device implements the effect of optically controlled non-volatile resistive memory) .

Оптически управляемый мемристор (далее-ОУМ) выполняется на базе структуры типа металл-диэлектрик-металл (МДМ) (Фиг 1). В слое диэлектрика формируется массив металлических наночастиц (МНЧ) (размерами 1-3 нм), например, методом осаждения сэндвич-структуры диэлектрк-металл-диэлектрик (с использованием методов магнетронного осаждения, электронно-лучевого осаждения и т.п.) с последующим отжигом. Материал наночастиц (Ag, Au и т.п.) и режим выбираются таким образом, чтобы длина волны плазмонного резонанса в массиве наночастиц совпадал с длиной волны используемого оптического излучения.An optically controlled memristor (hereinafter referred to as OAM) is based on a metal-dielectric-metal (MDM) type structure (Fig. 1). An array of metal nanoparticles (MNPs) (1–3 nm in size) is formed in the dielectric layer, for example, by deposition of a dielectric-metal-dielectric sandwich structure (using magnetron deposition, electron beam deposition, etc.) followed by annealing . The material of the nanoparticles (Ag, Au, etc.) and the mode are chosen so that the wavelength of the plasmon resonance in the array of nanoparticles coincides with the wavelength of the optical radiation used.

Фиг.1 - Схема структуры оптически управляемого мемристора в вертикальном (а) и волноводном (б) исполнениях.Fig.1 - Diagram of the structure of an optically controlled memristor in vertical (a) and waveguide (b) versions.

ITO - indium tin oxide оксид индия-олова проводящая пленка прозрачная для оптического излучения;ITO - indium tin oxide indium-tin oxide conductive film transparent for optical radiation;

ZrO2(Y) - оксид циркония, модифицированный иттриемZrO2(Y) - yttrium modified zirconium oxide

Реализация ОУМ возможна в двух исполнениях. В вертикальном исполнении (Фиг. 1а), верхний электрод МДМ струткуры выполняется из электропроводящего материала, прозрачного для излучения на длине волны используемого оптического излучения (например, ИТО, SnO₂:Sb для видимого диапазона длин волн) для обеспечения доступа оптического излучения к активной области прибора (МНЧ). Оптическое излучение вводится в активную область через прозрачный проводящий слой перпендикулярно плоскости МДМ структуры (посредством сфокусированного луча, через волоконный световод и т.п.). На основе описанной струтктуры формируются меза-приборы (например, типа «кросс-пойнт») или массивы (например, типа «кросс-бар»).Implementation of OAM is possible in two versions. In a vertical design (Fig. 1a), the upper electrode of the MIM structure is made of an electrically conductive material that is transparent to radiation at the wavelength of the optical radiation used (for example, ITO, SnO ₂ : Sb for the visible wavelength range) to provide access of optical radiation to the active region device (MNC). Optical radiation is introduced into the active region through a transparent conductive layer perpendicular to the plane of the MIM structure (by means of a focused beam, through an optical fiber, etc.). Based on the described structure, mesa-devices (for example, of the "cross-point" type) or arrays (for example, of the "cross-bar" type) are formed.

В волноводном исполнении (Фиг 1б) ОУМ выполняется на базе волноводной структуры, сформированной на прозрачного проводящего слоя (выполненного, например, из ИТО) толщиной ℓ₀, сформированного на прозрачной изолирующей подложке (стекло, кварц и т. п.). К поверхности прозрачного проводящего слоя примыкает слой функционального диэлектрика толщиной d₀ с большим значением показателя преломления (на длине волны используемого оптического излучения), чем лежащий ниже прозрачный электропроводящий слой (например, ZrO₂(Y)), содержащий активный слой наночастиц, поглощающих используемое оптическое излучение. Далее слой функционального диэлектрика покрывается верхним прозрачным проводящим слоем (например, ИТО) с меньшим значением показателя преломления, чем слой функционального диэлектрика. Описанный способ переключения и волноводная мемристорная структура выполняет функцию концентрации электромагнитного поля основной вертикальной моды волновода (TE01 мода) в слое наночастиц. Излучение в волноводную мемристорную структуры вводится с помощью планарного (гребенчатого, полоскового и т.п.) транспортного оптического волновода, расположенного в одной плоскости с мемристорной структурой, так что оптическая ось мемристороной волноводной структуры является продолжением оптической оси транспортного волновода. Волноводная структура может закрываться сверху прозрачным защитным слоем (выполненным, например, из SiO₂, полиимида и т.п.) с показателем преломления, меньшим показателя преломления прозрачного проводящего слоя.In the waveguide version (Fig. 1b), OAM is performed on the basis of a waveguide structure formed on a transparent conductive layer (made, for example, from ITO) with a thickness of ℓ ₀ formed on a transparent insulating substrate (glass, quartz, etc.). Adjacent to the surface of the transparent conductive layer is a functional dielectric layer of thickness d ₀ with a higher refractive index (at the wavelength of the optical radiation used) than the underlying transparent electrically conductive layer (for example, ZrO ₂ (Y)) containing an active layer of nanoparticles that absorb the optical radiation used. radiation. Next, the functional dielectric layer is covered with an upper transparent conductive layer (for example, ITO) with a lower refractive index than the functional dielectric layer. The described switching method and the waveguide memristor structure perform the function of concentrating the electromagnetic field of the main vertical mode of the waveguide (TE01 mode) in the layer of nanoparticles. Radiation is introduced into the waveguide memristor structure using a planar (comb, strip, etc.) transport optical waveguide located in the same plane as the memristor structure, so that the optical axis of the memristor side of the waveguide structure is a continuation of the optical axis of the transport waveguide. The waveguide structure can be covered from above with a transparent protective layer (made, for example, of SiO ₂ , polyimide, etc.) with a refractive index lower than that of the transparent conductive layer.

Имеющиеся аналоги.Available analogues.

Влияние оптического излучения на РП начал изучаться сравнительно недавно. Этот эффект может создать основу развития новой области науки и технологий - мемристивную оптоэлектронику, сочетающую потенциал мемристивной электроники и оптоэлектроники.The influence of optical radiation on the RP began to be studied relatively recently. This effect can form the basis for the development of a new field of science and technology - memristive optoelectronics, which combines the potential of memristive electronics and optoelectronics.

В [1] сообщалось о влиянии оптического излучения на РП в МДП структуре In [1], the effect of optical radiation on the RP in the MIS structure was reported

Au/Zr/ZrO₂(Y)/Si. Эффект был связан с поверхностной фотоЭДС на границе Si/ZrO₂(Y) из-за собственного оптического поглощения в Si и разделения фотовозбужденных электронно - дырочных пар электрическим полем потенциального барьера на границе полупроводника и диэлектрика. В свою очередь, это приводит к перераспределению электрического поля между ZrO₂(Y) и подложкой Si, что способствует разрушению и восстановлению проводящих филаментов.Au/Zr/ZrO ₂ (Y)/Si. The effect was associated with the surface photoEMF at the Si/ZrO ₂ (Y) interface due to intrinsic optical absorption in Si and the separation of photoexcited electron-hole pairs by the electric field of the potential barrier at the semiconductor-dielectric interface. In turn, this leads to a redistribution of the electric field between ZrO ₂ (Y) and the Si substrate, which contributes to the destruction and restoration of the conductive filaments.

В [2] исследовано влияние оптического излучения на электрические параметры мемристоров на базе МдП-структур ITO/GeO[SiO]/n⁺-Si с кластерами аморфными Ge (a-Ge) в стеклянной Si-Ge пленке. Эффект был связан с зарядкой кластеров a-Ge из - за фотоэмиссии дырок из кластеров в подложку n⁺-Si, что приводит к перераспределению электрического поля внутри изолятора.In [2], the influence of optical radiation on the electrical parameters of memristors based on ITO/GeO[SiO]/n ⁺ -Si MIS structures with amorphous Ge (a-Ge) clusters in a glass Si-Ge film was studied. The effect was associated with the charging of a-Ge clusters due to the photoemission of holes from the clusters into the n ⁺ -Si substrate, which leads to a redistribution of the electric field inside the insulator.

В [3] сообщается об активированном светом РП в МДП-структурах на основе SiO_x/p-Si с верхними электродами из ITO. Эффект был связан с межзонным поглощением излучения видимого диапазона в подложке p-Si и аккумуляции фотовозбужденных электронов на границе Si/SiO_x. Это приводит к повышению электронной инжекции в SiOx, что способствует генрации пар Френкеля и, следовательно, вакансий кислорода VО, составляющих проводящий филамент.[3] reported on light-activated RP in MIS structures based on _SiOx /p-Si with ITO top electrodes. The effect was associated with the interband absorption of visible radiation in the p-Si substrate and the accumulation of photoexcited electrons at the Si/SiO _x interface. This leads to an increase in electron injection in SiOx, which contributes to the generation of Frenkel pairs and, consequently, oxygen vacancies VO that make up the conducting filament.

Аналогичный механизм влияния оптического излучения на РП мемристоров на основе МДП-структур Pt/Al₂O₃/SiO₂/p-Si предполагался в [4].A similar mechanism of the effect of optical radiation on the RP _of memristors based _on Pt/ _Al2O3 /SiO2/p-Si MIS structures was proposed in [4].

Индуцированное светом усиление РП в нанопроволоках ZnWO₄ обнаружено в [5]. При воздействии излучения, фотовозбужденные электроны захватываются вакансиями на границе ZnWO₄ с Ti электродом, что приводит к уменьшению области обеднения барьера Шоттки на границе ZnWO₄ с Ti и увеличению квазинейтральной области в ZnWO₄. При этом, РП становится более выраженным.Light-induced enhancement of the RP in ZnWO ₄ nanowires was found in [5]. When exposed to radiation, photoexcited electrons are captured by vacancies at the ZnWO ₄ interface with the Ti electrode, which leads to a decrease in the depletion region of the Schottky barrier at the ZnWO ₄ interface with Ti and an increase in the quasi-neutral region in ZnWO ₄ . At the same time, RP becomes more pronounced.

В [6] влияние оптического излучения на РП в ZnO нанопроволоках было связано с фотоактивными поверхностными состоянияи, усиливающими РП.In [6], the influence of optical radiation on the RP in ZnO nanowires was associated with photoactive surface states that enhance the RP.

В [7, 8] мы сообщили об улучшении параметров РП (увеличение площади внутри петли гистерезиса в циклических ВАХ) в тонкой (~ 10 нм толщиной ) пленке ZrO₂(Y) с внедренными НЧ Au с радиусом R ~ 1 нм под действием оптического излучения на длине волны λ≈ 650 нм, соответствующей коллективному плазмонному резонансу в массиве НЧ Au. Эффект был связан с усиленной плазмонным резонансом внутренней фотоэмиссией электронов из НЧ Au в вакансионную α-зону в ZrO₂(Y). Это приводит к зарядке НЧ, и, как следствие, к локальному увеличению напряженности электрического поля на поверхности НЧ, что, в свою очередь, способствует разрушению и восстановлению проводящих филаментов в диэлектрической пленке [9]. Развита теория для расчета возрастания напряженности электрического поля как функции размеров НЧ и их расположений внутри диэлектрической пленки с учетом сил изображения на проводящих электродах мемристора. Предложенная модель подтверждена экспериментально методом сканирующей Кельвин-зонд микроскопии.In [7, 8], we reported an improvement in the RP parameters (an increase in the area inside the hysteresis loop in cyclic CVCs) in a thin (~10 nm thick) ZrO ₂ (Y) film with embedded Au NPs with a radius R ~ 1 nm under the action of optical radiation at a wavelength λ≈ 650 nm, corresponding to the collective plasmon resonance in an array of Au NPs. The effect was associated with plasmon resonance enhanced internal photoemission of electrons from Au NPs into the vacancy α band in ZrO ₂ (Y). This leads to NP charging and, as a result, to a local increase in the electric field strength on the NP surface, which, in turn, contributes to the destruction and restoration of conducting filaments in a dielectric film [9]. A theory has been developed for calculating the increase in the electric field strength as a function of the sizes of nanoparticles and their location inside the dielectric film, taking into account the image forces on the conducting electrodes of the memristor. The proposed model was confirmed experimentally by scanning Kelvin probe microscopy.

Металлические НЧ, встроенные в функциональный диэлектрик мемристора, концентрируют электрическое поле и, следовательно, способствуют процессу РП [10]. Так, НЧ Au в пленках ZrO₂(Y) [11] и НЧ Ag в двухслойных структурах Al₂O₃/ZnO [12] предлагались для улучшения выхода годных мемристоров, чтобы уменьшить разброс параметров РП. Металлические наночатсицы должны были действовать как концентраторы электрического поля, чтобы способствовать росту проводящего филамента.Metal NPs embedded in the functional dielectric of the memristor concentrate the electric field and, therefore, contribute to the RP process [10]. For example, Au NPs in ZrO ₂ (Y) films [11] and Ag NPs in Al ₂ O ₃ /ZnO bilayer structures [12] were proposed to improve the yield of suitable memristors in order to reduce the spread of RP parameters. The metal nanoparticles had to act as electric field concentrators to promote the growth of the conductive filament.

Проведенные нами исследования показывают, что зарядка металлических НЧ из - за электронной фотоэмиссии улучшает параметры РП, так как зарядка НЧ повышает напряженность электрического поля у поверхности НЧ (по сравнению со случаем отсутствия излучения).Our studies show that the charging of metal NPs due to electron photoemission improves the RP parameters, since the charging of NPs increases the electric field strength at the NP surface (compared to the case of no radiation).

В качестве прототипа выбран патент CN211743191U [13], где описаны мемристоры с повышенной надежностью переключения и мультиуровневыми состояниями за счет применения нанокластеров двух разных размеров. При различной напряженности внешнего поля внутреннее поле концентрируется между электродами в диэлектричсеком слое с усилением за счет присутствия металлических нанокластеров.Patent CN211743191U [13] was chosen as a prototype, which describes memristors with increased switching reliability and multilevel states due to the use of nanoclusters of two different sizes. At different strengths of the external field, the internal field is concentrated between the electrodes in the dielectric layer with amplification due to the presence of metal nanoclusters.

При приложении различного напряжения оказывается достаточно за счет разных размеров частиц переключение при разных электрических поля, концентрируемых в слое диэлектрика.When different voltages are applied, it is sufficient due to different particle sizes to switch at different electric fields concentrated in the dielectric layer.

Все аналоги, включая и прототип, обладают одним общим недостатком - невысокая воспроизводимость параметров мемристора при переключении.All analogues, including the prototype, have one common drawback - the low reproducibility of the parameters of the memristor when switching.

Цель изобретения - улучшение воспроизводимости параметров мемристора.The purpose of the invention is to improve the reproducibility of the parameters of the memristor.

Поставленная цель достигается тем, что в способ переключения твердотельного прибора на базе структуры «металл-диэлектрик-металл», позволяет выполнять обратимое энергонезависимое переключение резистивного состояния, содержащего в средней части слоя диэлектрика внедренные металлические изолированные друг от друга наночастицы размером 1- 3 нм и по крайней мере один из электродов структуры металл-диэлектрик-металл делают из проводящего прозрачного для оптического излучения материала, обратимое энергонезависимое переключение резистивного состояния прибора осуществляют посредством освещения области диэлектрика, содержащей наночастицы, оптическим излучением, длина волны которого соответствует длине волны плазмонного резонанса в массиве наночастиц, и одновременным приложением электрического напряжения к электродам структуры, создающего внутри слоя диэлектрика электрическое поле, напряженность которого недостаточна для изменения резистивного состояния структуры в отсутствие освещения.This goal is achieved by the fact that in the method of switching a solid-state device based on the "metal-dielectric-metal" structure, it allows to perform reversible energy-independent switching of a resistive state containing embedded metal nanoparticles isolated from each other with a size of 1-3 nm in the middle part of the dielectric layer and at least one of the electrodes of the metal-dielectric-metal structure is made of a conductive material transparent to optical radiation, reversible energy-independent switching of the resistive state of the device is carried out by illuminating the dielectric region containing nanoparticles with optical radiation, the wavelength of which corresponds to the wavelength of plasmon resonance in the array of nanoparticles, and simultaneous application of an electric voltage to the electrodes of the structure, which creates an electric field inside the dielectric layer, the strength of which is insufficient to change the resistive state of the structure in the absence of illumination.

Описание физических принципов работы прибора.Description of the physical principles of the operation of the device.

Для переключения мемристора из состояния с высоким сопротивлением (СВС) в состояние с низким сопротивлением (СНС) - т. наз. SET процесс - на верхний электрод структуры подается (относительно нижнего проводящего слоя) напряжения U₀, меньшее напряжения переключения из СВС в СНС в темноте U_SET, создающее в слое функционального диэлектрика электрическое поле с напряженностью F. Ввиду поляризации МНЧ, напряженность электрического поля вблизи поверхности МНЧ возрастает вплоть до ~ 10⁷ В/см. При подаче оптического излучения с длиной волны, соответствующей ПР в массиве МНЧ, происходит заряд НЧ вследствие внутренней фотоэмиссии электронов из МНЧ в зону проводимости функционального диэлектрика, усиленная ПР в слое МНЧ. Вследствие этого, происходит увеличение напряженности электрического поля вблизи поверхности МНЧ, что, в свою очередь, стимулирует рост проводящего филамента в слое функционального диэлектрика и, соответственно, переключение мемристора из СВС в СНС.To switch the memristor from a high resistance state (SHS) to a low resistance state (SNS) - the so-called. SET process - voltage U ₀ is applied to the upper electrode of the structure (relative to the lower conductive layer), which is less than the switching voltage from SHS to SNS in the dark U _SET , which creates an electric field with intensity F in the functional dielectric layer. Due to the polarization of MNPs, the electric field strength near the surface The MNP increases up to ~ ¹⁰⁷ V/cm. When optical radiation with a wavelength corresponding to the PR in the MNP array is supplied, the NP is charged due to the internal photoemission of electrons from the MNP into the conduction band of the functional dielectric, which is enhanced by the PR in the MNP layer. As a result, the electric field strength increases near the MNP surface, which, in turn, stimulates the growth of the conductive filament in the functional dielectric layer and, accordingly, the switching of the memristor from the SHS to the SNS.

Обратное переключение мемристора из СНС в СВС (т. наз. RESET процесс) осуществляется при подаче на электроды мемристорной структуры напряжения обратной полярности. При этом усиление электрического поля вблизи поверхности МНЧ вследствие фотоэмиссии электронов из МНЧ способствует разрушению проводящего филамента.The reverse switching of the memristor from SNS to SHS (the so-called RESET process) is carried out when a voltage of reverse polarity is applied to the electrodes of the memristor structure. In this case, an increase in the electric field near the MNP surface due to the photoemission of electrons from the MNP contributes to the destruction of the conducting filament.

Требования к параметрам слоев структуры.Requirements for the parameters of structure layers.

Толщина слоя функционального диэлектрика слоя диэлектрика d₀ определяется следующим требованием: величина напряженности электрического поля вблизи поверхности МНЧ при условии подачи на электроды структуры напряжения U₀ должна достигать значения, необходимого для полевого вырывания иона материала функционального диэлектрика (например, O^2- в случае ZrO₂(Y)) из узла кристаллической решетки (как правило, ~10⁷ В/см).The thickness of the functional dielectric layer of the dielectric layer d ₀ is determined by the following requirement: the magnitude of the electric field strength near the MNP surface under the condition that voltage U ₀ is applied to the electrodes of the structure must reach the value necessary for the field extraction of an ion of the functional dielectric material (for example, O ² - in the case of ZrO ₂ (Y)) from a lattice site (typically ~10 ⁷ V/cm).

Толщина d₀ выбирается таким образом, чтобы обеспечить функционирование прибора при напряжении переключения до 2 В в темноте и до 1.5 В при включенном оптическом излучении.The thickness d ₀ is chosen in such a way as to ensure the operation of the device at a switching voltage of up to 2 V in the dark and up to 1.5 V with optical radiation switched on.

Например, для ZrO₂(Y) d₀ составляет 20-40 нм.For example, for ZrO ₂ (Y) d ₀ is 20-40 nm.

Толщины верхнего и нижнего прозрачного проводящего электродов волноводной мемристорной структуры ℓ₀ в волноводном исполнении (одновременно выполняющие функцию ограничивающих слоев оптического волновода) должны обеспечивать достаточно низкие потери излучения при прохождении через волноводную структуру, так чтобы достаточная для реализации вышеописанного принципа действия часть падающего излучения поглощалась в слое МНЧ. В частности, снижение оптических потерь может быть достигнуто за счет применения покровного слоя, выполненного, например, из SiO₂ и т. п.The thicknesses of the upper and lower transparent conductive electrodes of the waveguide memristor structure ℓ ₀ in the waveguide version (simultaneously acting as the limiting layers of the optical waveguide) must provide sufficiently low radiation losses when passing through the waveguide structure, so that a part of the incident radiation sufficient to implement the above-described principle of operation is absorbed in the layer MNP. In particular, a reduction in optical loss can be achieved by using a cover layer made of, for example, SiO ₂ and the like.

Обоснование полезности предлагаемого изобретения.Rationale for the usefulness of the proposed invention.

Для решения ряда актуальных задач компьютерной технологии, в частности, в областях искусственного интеллекта, нейроморфных вычислений и др., необходимы электронные компоненты, позволяющие хранить информацию в течение долгого времени, одновременно способные ее обрабатывать, т.е. реализующие принцип вычисления в памяти.To solve a number of topical problems of computer technology, in particular, in the areas of artificial intelligence, neuromorphic computing, etc., electronic components are needed that allow storing information for a long time, at the same time capable of processing it, i.e. implementing the principle of computation in memory.

На основе предлагаемый ОУМ может быть сформирован массив (одномерный или двумерный) логических элементов (например, типа «кросс-бар» или «кросс-пойнт»), в котором отдельные ОУМ выполняют ту же роль, что и фототранзисторы в оптоэлектронных логических интегральных схемах, но при этом реализуют функцию запоминания. Кроме того, в подобных массивах могут быть реализованы вычисления в памяти. Например, на основе массивов ОУМ может быть реализованы активные интеллектуальные сенсоры изображения, которые не только преобразуют захватываемое изображение в цифровые или аналоговые электрические сигналы, но и выполняют функцию обработки видеоинформации, в том числе - с применением нейроморфных алгоритмов (например, распознавания образов в реальном времени и т.п.). Это, в перспективе, позволяет достичь значений производительности вычислений, недостижимой для современных компьютерных систем, а также решать задачи, относящиеся к области искусственного интеллекта и когнитивных информационных технологий, принципиально неразрешимые для современного состояния компьютерной техники.On the basis of the proposed OAM, an array (one-dimensional or two-dimensional) of logic elements (for example, of the “cross-bar” or “cross-point” type) can be formed, in which individual OAMs play the same role as phototransistors in optoelectronic logic integrated circuits, but at the same time they implement a memory function. In addition, in-memory calculations can be implemented in such arrays. For example, based on OAM arrays, active intelligent image sensors can be implemented that not only convert the captured image into digital or analog electrical signals, but also perform the function of processing video information, including using neuromorphic algorithms (for example, real-time pattern recognition etc.). This, in the long term, makes it possible to achieve computational performance values that are unattainable for modern computer systems, as well as to solve problems related to the field of artificial intelligence and cognitive information technologies, which are fundamentally unsolvable for the current state of computer technology.

Список цитируемой литературы.List of cited literature.

1 Tikhov S V, Gorshkov O N, Koryazhkina M N, Antonov I N, Kasatkin A P 2016 Tech. Phys.1 Tikhov S V, Gorshkov O N, Koryazhkina M N, Antonov I N, Kasatkin A P 2016 Tech. Phys.

Lett. 42 536 DOI: 10.1134/S1063785016050308Lett. 42 536 DOI: 10.1134/S1063785016050308

2 Volodin V A, Kamaev G N and Vergnat M 2020 Phys Status Solidi RRL, 2000165 DOI: 10. 1002/pssr.2020001652 Volodin V A, Kamaev G N and Vergnat M 2020 Phys Status Solidi RRL, 2000165 DOI: 10.1002/pssr.202000165

3 Mehonic A, Gerard T and Kenyon A J 2017 Appl. Phys. Lett. 111 233502 DOI: 10.1063/1.50090693 Mehonic A, Gerard T and Kenyon A J 2017 Appl. Phys. Lett. 111 233502 DOI: 10.1063/1.5009069

4 Ungureanu M, Zazpe R, Golmar F, Stoliar P, Llopis R, Casanova F and Hueso L E 2012 Adv. Mater. 24 2496 DOI: 10.1002/adma.2012003824 Ungureanu M, Zazpe R, Golmar F, Stoliar P, Llopis R, Casanova F and Hueso L E 2012 Adv. mater. 24 2496 DOI: 10.1002/adma.201200382

5 Zhao W X, Sun B, Liu Y H, Wei L J, Li H W and Chen P 2014 AIP Adv. 4 077127 DOI: 10.1063/1.48914615 Zhao W X, Sun B, Liu Y H, Wei L J, Li H W and Chen P 2014 AIP Adv. 4 077127 DOI: 10.1063/1.4891461

6 Park J, Lee S and Yong K 2012 Nanotechnology 23 385707 DOI: 10.1088/0957-4484/23/38/3857076 Park J, Lee S and Yong K 2012 Nanotechnology 23 385707 DOI: 10.1088/0957-4484/23/38/385707

7 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 993 012026 DOI: 10.1088/1742-6596/993/1/0120267 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 993 012026 DOI: 10.1088/1742-6596/993/1/012026

8 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 201 J. Surface Investigations: X-ray, Synchrotron, and Neutron Techniques 12 1304 DOI: 10.1134/S10274510190101788 Novikov A S, Filatov D O, Antonov D A, Antonov I N, Shenina M E and Gorshkov O N 201 J. Surface Investigations: X-ray, Synchrotron, and Neutron Techniques 12 1304 DOI: 10.1134/S1027451019010178

9 A S Novikov, D O Filatov, M E Shenina, I N Antonov, D A Antonov, A V Nezhdanov, V A Vorontsov, D A Pavlov, O N Gorshkov. A mechanism of effect of optical excitation on resistive switching in ZrO2(Y) films with Au nanoparticles. Journal of Physics D: Applied Physics 54 2021 54 485303 . DOI: 10.1088/1361-6463/ac1d119 A S Novikov, D O Filatov, M E Shenina, I N Antonov, D A Antonov, A V Nezhdanov, V A Vorontsov, D A Pavlov, O N Gorshkov. A mechanism of effect of optical excitation on resistive switching in ZrO2(Y) films with Au nanoparticles. Journal of Physics D: Applied Physics 54 2021 54 485303 . DOI: 10.1088/1361-6463/ac1d11

10 Huang Y-J, Chao S-C, Lien D-H, Wen C-Y, He J-H and Lee S-C 2016 Sci. Rep. 6 23945 DOI: 10.1038/srep2394510 Huang Y-J, Chao S-C, Lien D-H, Wen C-Y, He J-H and Lee S-C 2016 Sci. Rep. 6 23945 DOI: 10.1038/srep23945

11 Guan W, Long S, Jia R and Liu M 2007 Appl. Phys. Lett. 91 06211111 Guan W, Long S, Jia R and Liu M 2007 Appl. Phys. Lett. 91 062111

12 Wang D.-T, Dai Y.-W, Xu J, Chen L, Sun Q-Q, Zhou P, Wang P-F, Ding S-J and Zhang D W 2016 IEEE Electron Dev. Lett. 37 1 DOI: 10.1109/LED.2016.257027912 Wang D.-T, Dai Y.-W, Xu J, Chen L, Sun Q-Q, Zhou P, Wang P-F, Ding S-J and Zhang D W 2016 IEEE Electron Dev. Lett. 37 1 DOI: 10.1109/LED.2016.2570279

13 Chen Z 2020 Nonvolatile multi-value memristor. CN211743191U.13 Chen Z 2020 Nonvolatile multi-value memristor. CN211743191U.

Claims

A method for reversible energy-dependent switching of the resistive state of a solid-state device based on the "metal-dielectric-metal" structure, containing in the middle part - in the dielectric layer embedded metal nanoparticles isolated from each other with a size of 1-3 nm and at least one of the electrodes made of conductive a material transparent to optical radiation, characterized in that reversible energy-dependent switching of the resistive state of the device is carried out by illuminating the dielectric region containing nanoparticles with optical radiation, the wavelength of which corresponds to the wavelength of the plasmon resonance in the array of nanoparticles, and the simultaneous application of an electric voltage to the electrodes of the structure, which creates inside the dielectric layer there is an electric field whose strength is insufficient to change the resistive state of the structure in the absence of illumination.