1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 3, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 3, стр. 302-305

Факторы, влияющие на параметр работы мемристора на основе тонкой пленки LiF с нанокластерами Cu

Т. С. Лазарева 1, Л. И. Щепина 1, *, А. А. Черных 1, В. Л. Паперный 1, Н. А. Иванов 2

1 Научно-исследовательский институт прикладной физики при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования “Иркутский государственный университет”
Иркутск, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Иркутский национальный исследовательский технический университет”
Иркутск, Россия

* E-mail: schepina@api.isu.ru

Поступила в редакцию 03.09.2018
После доработки 10.09.2018
Принята к публикации 22.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены факторы, влияющие на параметр работы мемристора (Rвыкл/Rвкл). Изучается рост данного параметра при увеличении тока магнетрона и времени облучения в процессе приготовления тонкой пленки LiF с нанокластерами меди. Показано синоптическое поведение мемристора на основе этой пленки.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка материалов для резистивной энергонезависимой памяти (мемристоров) – одно из ключевых направлений развития устройств для искусственного интеллекта (ИИ). Для сравнения, человеческий мозг обладает уникальной способностью к вычислениям по сравнению с суперкомпьютером благодаря высокой скорости обработки сигнала при низких энергетических затратах [1]. Особую роль в этом играют синапсы, выполняющие функции передачи электрической активности от одной нервной клетки к другой нервной или мышечной клетки [2]. Этот механизм может быть использован в системах ИИ, которые теоретически позволяют дублировать фундаментальные функции биологических синапсов и имитировать работу мозга [3]. Использование мемристоров в качестве синапсов может обеспечить высокую скорость взаимодействия элементов и необходимую их плотность для эффективной обработки информации. Материалы для мемристоров на основе оксидов металлов широко исследуют в настоящее время. На сегодняшний день на их основе достигнуты достаточно высокие значения параметра переключения из одного резистивного состояния в другое (Rвыкл/Rвкл) [4]. Для большинства мемристоров этого класса (ионная коммутация), однако, остается нерешенной проблема стабильности и воспроизводимости значений сопротивления в низкоомном (Rвкл) и высокоомном состояниях (Rвыкл). Основной причиной этого является неоднородность распределения электрического поля в активном слое мемристора из-за неоднородности этого слоя. Для решения этой проблемы проводится поиск новых материалов для мемристоров. Ранее нами предложены мемристоры на основе тонких пленок LiF с нанокластерами (НК) меди, в которых проявляется эффект электронной коммутации [5]. Максимально достигнутый параметр работы мемристора Rвыкл/Rвкл составлял 4 · 103 при напряжении 0.6 В. В рамках данной работы изучается возможность увеличения этого параметра.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования электрических свойств тонкие пленки LiF c нанокластерами Cu создавали путем одновременного напыления фторида лития и меди на подложку. Пленки наносили на токопроводящее стекло (ТПС) магнетронным напылением по технологии, описанной в [6]. Давление в вакуумной камере было ~10–5 мм. рт. ст. Контроль за нанокластерами меди осуществляли по спектрам оптического поглощения в полосе плазмонного резонанса (ППР) в области ~590 нм [7]. Спектры оптического поглощения исследуемых пленок регистрировали на спектрофотометре MPS-50L. Вольтамперные характеристики измеряли для установления характерной энергии активации носителей заряда из нанокластеров, характеризующейся наклоном кривой, построенной в двойных логарифмических координатах lgI–lgU. Измерения ВАХ проводили по стандартной методике с использованием классической схемы, где с помощью электрометра У5-11 измеряется падение напряжения на эталонном сопротивлении, включенном в цепь последовательно с образцом. Потенциал на пленке измеряли с помощью точечных электродов с площадью контакта 1 · 10–3 мм2. Падение напряжения на образце изменялось в пределах 0–1 В. Таким образом, образец для исследований представлял собой тонкую пленку на основе LiF с нанокластерами меди толщиной 470 нм, нанесенную на токопроводящее стекло с верхним медным электродом и алюминиевым в качестве противоположного электрода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Эффекты переключения исследовали, прикладывая импульсы напряжения к образцу с одновременным контролем изменения тока. Как показано на рис. 1 характеристики памяти, такие как краткосрочная и долгосрочная память, наблюдали с интервалами 2 и 20 с соответственно путем приложения напряжения 60 мВ с различными интервалами повторения импульса смещения. Для синоптического устройства, кроме наличия двух механизмов памяти, необходимо высокое значение параметра Rвыкл/Rвкл, которое зависит от концентрации НК меди. Роста концентрации НК можно добиться увеличением интенсивности напыления, зависящей от тока магнетрона. На рис. 2 представлена зависимость параметра мемристора от тока магнетрона, которая свидетельствует о линейном увеличении параметра с ростом тока магнетрона. Однако мы столкнулись с отрицательными факторами, которые не позволяют значительно повысить параметр работы мемристора. Так, увеличение тока магнетрона до 100 мА приводит к росту значений энергии активации носителей заряда, хорошо проявляющейся на участках ВАХ, представленной в двойных логарифмических координатах (табл. 1).

Рис. 1.

Изменение тока пленки LiF/Cu, соответствующее краткосрочной памяти, при подаче импульсов напряжения через интервал времени 2 с (а) и соответствующее долгосрочной памяти при периоде импульсов напряжения 20 с (б).

Рис. 2.

Зависимость параметра работы мемристора (Rвыкл/Rвкл) от тока магнетрона при формировании пленки LiF c нанокластерами Cu на поверхности ТПС.

Таблица 1.  

Значения энергий активации различных участков на ВАХ, представленной в двойных логарифмических координатах

E, эВ
в низкорезистивном состоянии 		E, эВ
в высокорезистивном состоянии 		I, мА
Ток магнетрона
0.52 2.14 2.33 0.96 40
0.66 3.18 2.5 1.44 100

Оценим глубину ловушек электронов на участках, которые отвечают за токи в образце, ограниченные объемным пространственным зарядом. В этом случае [8] ток имеет степенную зависимость от напряжения U и толщины диэлектрической пленки L:

(1)
$I = e\mu {{N}_{c}}{{\left( {\frac{{\varepsilon {{\varepsilon }_{o}}}}{{{{N}_{t}}}}} \right)}^{\ell }}\frac{{{{U}^{{\ell + 1}}}}}{{{{L}^{{2\ell + 1}}}}},$
где Nt – концентрация ловушек, Nc – эффективное число состояний в зоне проводимости. Как следует из формулы (1), в логарифмических координатах ВАХ будет представлена прямой линией с наклоном tgα = l + 1. Зная l, можно найти энергетическое распределение ловушек по формуле:

(2)
${{E}_{{\text{о }}}} = lkT.$

Наклон прямых в двойных логарифмических координатах lg I – lg U стремится к 2 [9], когда доминируют токи, ограниченные пространственным зарядом. Как следует из табл. 1, мы имеем участки на ВАХ с наклоном 2.3 и 2.5 эВ. Следовательно, для пленки, приготовленной при токе магнетрона 40 мА, получим l = 1.3. При токе магнетрона 100 мА l = 1.5. Учитывая, что kT = 2.6 · 10–2 эВ, в процессе электропереноса участвуют ловушки с глубиной 0.03 и 0.04 эВ соответственно. Сравнение энергетического распределения ловушек показывает, что с увеличением интенсивности напыления формируются пленки с НК, создающими более глубокие ловушки, участвующими в процессе электропереноса. Этот вывод подтверждается спектральными характеристиками пленок. Наблюдается смещение максимума полосы плазмонного резонанса в длинноволновую сторону до 590 нм, что свидетельствует об укрупнении нанокластеров меди [10]. Таким образом, мы делаем вывод, что укрупнение НК меди – это одна из причин, которая не позволяет значительно повысить параметр работы мемристора. Мы можем предположить, что увеличение тока магнетрона до 100 мА сопровождается усилением диффузионных процессов, приводящих к укрупнению нанокластеров меди, и поэтому параметр Rвыкл/Rвкл не превышает значения 3 · 104 при напряжении 0.6 В.

Роста концентрации нанокластеров меди можно добиться также увеличением времени облучения на магнетроне в процессе приготовления пленок. Были выбраны следующие параметры: ток магнетрона 60 мА, время облучения 6.5 мин. В результате была приготовлена пленка c концентрацией нанокластеров меди, соответствующей коэффициенту поглощения на длине волны 590 нм K = 477 см–1 и параметром работы мемристора Rвыкл/Rвкл = 7 · 103. Рост времени облучения на магнетроне до 10 мин позволил увеличить концентрацию нанокластеров в 2.3 раза (K = 1096 см–1). Однако рабочий параметр мемристора уменьшился до значений 1.8 · 103. Сравнение нормированных спектров поглощения полученных пленок (рис. 3) показало образование пленки Cu2O на поверхности активного слоя мемристора c увеличением времени облучения до 10 мин. Наблюдается увеличение поглощения на крыльях полосы плазмонного резонанса НК меди (590 нм) и четко проявляющиеся максимумы в области ~620 и 640 нм (рис. 3, кривая 2). Все это характерно для пленки Cu2O, спектр поглощения которой приведен в работе [11]. Пленка Cu2O увеличивает ток в выключенном состоянии, в результате уменьшается сопротивление Rвыкл и, соответственно, уменьшается параметр работы мемристора. Следовательно, соотношение Rвыкл/Rвкл можно значительно увеличить, если удастся технологически устранить образование закиси меди, осуществив откачку камеры до более высокого вакуума (<10–5 мм. рт. ст) для снижения остаточной концентрации кислорода.

Рис. 3.

Нормированные спектры поглощения пленки LiF с нанокластерами Cu, нанесенной на ТПС: время облучения на магнетроне – 6.5 мин (1); – 10 мин (2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день мемристоры на основе тонкой пленки LiF с нанокластерами меди помимо простого процесса изготовления и малых размеров нанокластеров демонстрируют рабочий параметр Rвыкл/Rвкл порядка 104. Рабочий параметр может быть увеличен, если удастся технологически устранить образование оксидов меди на поверхности активного слоя мемристора и предотвратить диффузионные процессы, приводящие к укрупнению нанокластеров меди. Исследования в этом направлении являются актуальными, так как мемристоры на основе тонкой пленки LiF с нанокластерами меди показывают достаточно высокие параметры переключения и проявляют синоптическое поведение.

Исследования выполнены при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Госзадание, проект № 3.8401.2017/8.9).

Список литературы

  1. Moravec H. // J. Evolution Techn. 1998. № 1.

  2. Kuzum D., Jeyasingh R.G.D., Lee B. et al. // Nano Lett. 2012. V. 12. № 5. P. 2179.

  3. Ayers J., Davis J.L., Rudolph A. Neurotechn. for Biomimetic Robots. Cambridge: MIT Press, 2002. 650 p.

  4. Hadiyawaman, Budiman F., Hemowo D.G.O. et al. // Jap. J. of Appl. Phys. 2018. V. 57. P. 03EA06.

  5. Гензе Ю.В., Щепина Л.И. Щепин И.Я. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 2. С. 217; Genze Yu.V., Shchepina L.I., Shchepin I. Ya. et al. // Bull. of Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. № 2. P. 194.

  6. Паперный В.Л. и др. Патент 159146 РФ. H01L45/00 B 82B1/00 Mемристорный переключатель.

  7. Uwe Kr., Vollmer M. Optical prop. of metal clusters. Berlin: Springer–Verlag, 1995. 313 p.

  8. Райкерус П.А. Электропроводность тонких диэлектрических пленок. Петрозаводск, 1984. 27 с.

  9. Hui-Yu Yan, Zhi-qing Li. // Phys. Stat. Sol. A. 2017. V. 214. № 11. Art. no. 1700546.

  10. Щепина Л.И., Паперный В.Л., Черных А.А. // Изв. Вуз. Физика. 2018. Т. 61. № 11. С. 166.

  11. Soolmaz J., Ahmad M., Nasim M. // Phys. Stat. Sol. A. 2017. V. 214. Art. no. 1700380.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал