Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 4, стр. 541-545

ВВЕДЕНИЕ

Cовременная технология, мемристоры, обладают уникальным свойством нелинейной резистивной памяти ReRAM и могут служить аналоговыми системами обработки информации с нейроподобной структурой, а также датчиком электрофизиологической активности с возможностью одновременного накопления и энергонезависимого хранения [1, 2]. Одна из главных задач в разработке электронных структур на основе мемристоров лежит в области материаловедения. Проблема мемристоров, с точки зрения определения механизма, управляющего мемристивными свойствами различных структур, “много векторная” и определятся прежде всего функциональными свойствами материалов, из которых сделана структура. Для ReRAM материал с переключаемым сопротивлением, работающий в качестве носителя информации, является наиболее важной частью для производительности памяти. Среди многочисленных материалов, исследованных и применяемых в качестве основы для мемристоров это простые и сложные оксиды [3]. В этой работе рассматриваются последние исследования этой возникающей памяти с точки зрения материаловедения в мемристивных структурах на основе перовскитных окислов переходных металлов (см. [4] и ссылки там) и подчеркнута важная роль вычислительного материаловедения в исследованиях ReRAM [5]. Внедрения системы численных вычислений и многомасштабного моделирования позволило построить физическую модель возникновения перколяционных путей и обратимого переключения в исследованных мемристорах. На примере исследования мемристивных структур на основе YBa₂Cu₃O_{7 – δ} (YBCO) и La_{1 –х}Sr_xMnO_{3 – δ}(LSMO) [6–8] мы покажем, что именно дефицит кислорода в основе формирования и анализа работы мемристивных структур на основе легированных оксидных перовскитов.

Три основных положения легли в основу физической модели работы мемристора на основе перовскитных систем:

а) изменение резистивных свойств материала от металлических до изолятора при отклонении от кислородной стехиометрии

б) деградация поверхностных свойств по кислороду на размере порядка 10 нм.

в) пространственная неоднородность электрического поля в планарных выше обсуждаемых структурах металл–изолятор–металл (МИМ).

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУЧЕННЫХ СТРУКТУР

Существующие теоретические представления связывают большинство свойств легированных перовскитных соединений типа высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и легированных манганитов (ЛМ) степенью легирования щелочноземельным атомом [9, 10] и кислородной нестехиометрией кислорода, при этом наблюдается структура типа металл–изолятор [11, 12].

ПЛАНАРНАЯ ГЕОМЕТРИЯ

На поверхности монокристаллов и эпитаксиальных пленок исследованных структур, ориентированных (001), в результате деградации по кислороду в резервуарах заряда возникает диэлектрический слой, на глубине порядка 10 нм. Это фундаментальное свойство позволяет использовать МИМ гетеропереходы на основе оксидных соединений в создании ReRAM мемристоров в планарной геометрии, когда один электрод значительно меньше другого, например микроконтакты Шарвина [13, 14], в которых общее сопротивление структуры R₀ определяется параметрами материала: ρ₀, ρ_k, d

При d < z_k, и ρ_sk > ρ_i только поверхность дает вклад в общее сопротивление контакта и определяет метастабильные состояния, которые можно использовать в электронных устройствах как электронную память. На рис. 1 проиллюстрированы вышесказанные утверждения на примере расчета растекания тока и формирования перколяционных каналов в мемристивных структурах планарного типа на основе эпитаксиальной пленки YBCO [8]. Температура и электрическое поле существенно меняют характер проводимости разных областей гетеропереходов из-за проявления нескольких механизмов: влияния электрического поля на проводимость каждой фракции и явления перегрева.

Рис. 1.

Схема структуры Ag/YBа₂Cu₃O_6 + δ/YBa₂Cu₃O_7 – δ/SrTO, область, выделенная пунктирным прямоугольником, является активной частью структуры (а). Пример расчета распределения линий тока и потенциала при формировании метастабильных состояний включения (On) и выключения (Off) (б). На рисунках показаны линии тока и равноудаленные эквипотенциальные линии электрического поля. Вставка показывает вид канала в низкорезисивном (On) и высокорезисивном (Off) состояниях.

Следующие графики иллюстрируют результаты экспериментов.

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Интерфейс является деградированной по кислороду частью кристалла перовскитных соединений типа ВТСП и легированных манганитов. Наиболее вероятно, что деградацию интерфейса определяют кислородные вакансии. Влияние деградации по кислороду на свойства YBCO исследовалось методами оже спектроскопии и было установлено, что толщина этого слоя равна примерно 30 Å. Из подробных структурных исследований влияния нестехиометрии кислорода на критическую температуру сверхпроводящего перехода Т_с, хорошо известна связь Т_с и параметра δ [15]. Сверхпроводимость исчезает при орторомбическом-тетрагональном переходе, который происходит около δ = 0.65. В результате поверхностный слой имеет пониженное по сравнению с объемом число носителей, то есть находится на стороне изолятора [9]. И это есть макроскопическое фазовое расслоение по терминологии работы [16]. Достижение критической напряженности электрического поля при развертке напряжения на структуре являться началом двух процессов: а) на краю контакта начинает формироваться (либо распадаться при обратной полярности электрического поля) домен с повышенной плотностью носителей (диэлектрический пробой). б) параллельно, при изменении конфигурации электрического поля идет медленный процесс электродиффузии подвижных ионов, формируются туннельные каналы на барьере. От того насколько долго пройдет этот, будет зависеть отношение R_off/R_on, которое характеризует память мемристивной структуры (рис. 1 и 2).

Рис. 2.

Зависимость сопротивления перколяционного канала R_on от толщины проводящего канала (d_c) в пленочных гетероструктурах на основе YBCO [9]. R_off, R_on – сопротивления метастабильных состояний, d_c – толщина проводящего канала, z_L = 30 нм, толщина диэлектрической части.

ПЕРЕГРЕВ

Существование резистивного пика в точке Кюри и разный характер транспорта в ферромагнитной и парамагнитной области в 9-планарных структурах на основе манганитов приводит к тому, что уже небольшая поверхностная неоднородность с отличной от объема резистивностью, включенная в проводящий канал, будет приводить к локальному перегреву в этой области и переключению ВАХ с линейной зависимости тока от напряжения на нелинейную как показано на рис. 3. Особенность (отмеченная стрелкой) проявляется на ВАХ мемристоров с верхним электродом большого диаметра (>0.1 см). Численные расчеты показали, что такие особенности обусловлены эффектами перегрева.

Рис. 3.

Пример ВАХ мемристивной структуры Ag/LSMO_δ/LSMO/SrTO с резистивными переключениями. d = 0.5 см – полые кружки, d = 0.1 см – красные точки, d = 0.01 см – черные точки. Особенность (отмеченная стрелкой) проявляется на ВАХ мемристоров с верхним электродом большого диаметра (>0.1 cм). Численные расчеты показали, что такие особенности обусловлены эффектами перегрева. В левом верхнем углу схема планарной гетероструктуры с верхним электродом (распыленная пленка серебра либо механический микроконтакт). В правом нижнем углу температурная зависимость сопротивления кислород дефицитного манганита с разными кислородными индексами. Стрелками обозначена температура Кюри ферромагнитного перехода.

ЩЕЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ

Использование микроконтаков с механическим микроманипулятором позволило значительно уменьшить диаметр металлического электрода и, как следует из соотношения (1), увеличить влияние поверхностных кислород дефицитных слоев в сопротивление структуры. На рис. 4 показаны ВАХ в щелевых структурах на основе LSMO и модельной расчет картины растекания тока в таких структурах. Как видно из рисунков, по мере увеличения напряжения формирование низкорезистивного состояния (перколяционного канала) происходит при более высоких напряжениях сканирования и воспроизводится. Таким образом, происходит электроформовка и самонастраивающееся переключение. Из этих исследований следует выделить несколько нетривиальных результатов. Во-первых, высокоомная ветвь ВАХ (выключенное состояние, ветвь 3–1) имеет диодный характер. Во-вторых, эффект переключения напрямую зависит от максимального тока, прошедшего через структуру, и, в-третьих, при высоких напряжениях при сканировании происходит непрерывное изменение резистивного состояния: “самоадаптирующегося электроформирование”.

Рис. 4.

Пример ВАХ мемристоров на основе щелевых структур пленок LSMO с микроконтактом механического типа в непрерывной развертке. В верхнем левом углу показан результат моделирования. Показано начальное состояние структуры (фон), а также состояния On и Off. Канал перколяции окрашен в светло-зеленый цвет. Серые кривые – это эквипотенциали, синие – линии тока.

Для описания наблюдаемого эффекта “самоадаптирующегося электроформирования” была разработана модифицированная модель критического поля (оригинальная модель была ранее описана в [5–8]). Предполагается, что при переходе к высоким напряжениям, приложенным к структуре, во время предварительной электроформирования происходит утолщение дефектного слоя в зоне контакта (см. рис. 4). Важно отметить, что состояния On и Off воспроизводятся при моделировании дальнейших циклических переключений

Следует подчеркнуть, что в приведенной выше модели важен выбор критического электрического поля E_th. Предполагается, что наиболее вероятным механизмом образования перколяционный канала является пробой диэлектрика в областях, где электрическое поле достигает критического порогового значения E_th. Для полупроводников существует закон, связывающий E_th со значением диэлектрической щели Δ_g [17]:

На основе этого соотношения было выбрано E_th = 3 · 10⁶ В/см. Кроме того, численные расчеты показывают, что в случае “самоадаптирующегося электроформирования” проводящий канал формируется не только на краю контакта, но и глубоко под контактом. Это приводит к образованию структуры зазора, которая сохранилась после предыдущего переключения с On на Off состояния (рис. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ и численный расчет полученных результатов показал, что в планарных мемристивных структурах на основе монокристаллов и пленок LSMO особенности ВАХ определяются как перегревами, так и формированием перколяционного канала в кислород дефицитной области интерфейса Ag/LSMO_δ. Высокомные структуры на основе эпитаксиальных пленок LSMO_δ демонстрируют процессы формирования проводящего канала в области только интерфейса Ag/LSMO_δ. Исследования переключений по протоколам выявило, что: высокорезистивное состояние определяет исходное состояние, переключения носят пороговый характер, низкорезиствное состояние формируется через домены тока. Наблюдены эффекты самоадаптирующегося электроформорования в микроконтактных гетероструктурах на основе эпитаксиальных пленок манганита. Численные расчеты показали, что самоэлектроформорование происходит в сильных электрических полях и в зоне контакта образуется щелевая структура. Такая структура с зазором показывает стабильные воспроизводимые переключения.

Работа выполнена в рамках темы государственных заданий Института Физики твердого тела РАН, Института проблем микроэлектроники и особочистых материалов РАН.