СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНДЕНСАТОРНОЙ СТРУКТУРЫ МЕМРИСТОРА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ПРОЦЕСС ФОРМОВКИ Российский патент 2016 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 B82Y35/00 

Предлагаемое изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам измерения параметров наноструктур, и может быть использовано при определении электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки. В частности, для мемристоров в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) определяются электрофизические параметры, которые характеризуют происходящие при формовке изменения не только в диэлектрике, но также на границе раздела (ГР) диэлектрик/полупроводник (ДП) и в полупроводнике (захват носителей заряда поверхностными состояниями (ПС) на ГР ДП, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование).

Элемент резистивной памяти с произвольным доступом (англ.: Resistive Switching Random Access Memory), 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]. В качестве мемристора используется в основном структура в виде конденсаторов металл - диэлектрик - металл (МДМ) и реже в виде МДП-конденсаторов. 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.

Происходящие в процессе формовки и РП явления изучаются, начиная с 60-х годов прошлого века [Крейнина Г. С.// Радиотехника и электроника. - 1960. - Т. 5 (№8). - С. 1338-1341]. Уже в одном из первых обзоров на эту тему (Dearnaley G., Stoneham A.M., Morgan D.V. // Rept. Progr. Phys. - 1970. - V. 33. - P. 1129-1191) отмечалось, что для оптимизации параметров мемристоров важным является развитие моделей отдельно как процесса формовки, так и РП и обсуждался ряд таких моделей. Модели процесса формовки и РП, развитые в последнее время, приведены, например, в одном из последних обзоров на эту тему [Mickel P.R., Lohn A.J., Marinella М.J. // Mod. Phys. Lett. В. - 2014. - V. 28 (No. 10). - P. 1430003-1 - 1430003-25].

На данный момент, коммерческое производство мемристоров практически отсутствует. Основной причиной этого является то, что процессы формовки и РП остаются недостаточно изученными, особенно для ряда новых тонкопленочных диэлектрических материалов, что затрудняет развитие адекватных моделей процесса формовки и РП и сдерживает оптимизацию технологии изготовления мемристоров. Такое положение в области нанотехнологий, связанной с созданием мемристоров, требует расширения диагностических возможностей измерения характеристик конденсаторных структур мемристоров и повышения степени прогнозирования получаемых из этих характеристик электрофизических параметров мемристоров, которые являются исходными для моделирования процессов формовки и РП. В частности, задача расширения диагностических возможностей измерения и повышения степени прогнозирования электрофизических параметров мемристоров для оптимизации технологии их изготовления возникает потому, что наличие двух металлических электродов в мемристорах в виде МДМ-конденсаторов затрудняет детальное изучение процессов формовки и РП. Например, для ряда структур является трудным разделить явления, происходящие на разных электродах.

Известен способ измерения с помощью импедансной спектроскопии электрофизических параметров, демонстрирующих процессы РП и памяти в мемристорах в виде МДМ-конденсаторов на основе нанометровых пленок оксида никеля [You Y. - Н., So В. - S., Hwang J. - Н. et al. // APL. - 2006. - V. 89. - P. 222105] и диоксида циркония [Karkkanen I., Shabko A., Heikkila M. et al. // Phys. Status Solidi A. - 2015. DOI 10.1002/pssa.201431489].

Близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ измерения электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов [Guan W., Long S., Jia R. // Appl. Phys. Lett. - 2007. - V. 91 (062111). - P. 1-3], основанный на измерении вольт-амперных характеристик (ВАХ) структуры Au/ZrO₂/np-Au/ZrO₂/n⁺-Si, где np-Au - наночастицы золота.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов [Mehonic A., Cueff S., Wojdak М. et al. // J. Appl. Phys. - 2012. - V.111 (074507). - P. 1-9], принятый за ближайший аналог (прототип). В способе по прототипу проводят определение электрофизических параметров мемристоров в виде структур ITO (n-poly Si)/SiO_x/p-Si, где ITO - оксид индия-олова, n-poly Si - поликристаллический кремний n-типа, подверженный высокотемпературной обработке), основанном на измерении ВАХ, временных токовых характеристик и импеданса структуры. Верхний электрод ITO, хотя и является оксидом, но имеет высокую электронную проводимость и поэтому исполняет роль металлического электрода. Верхний электрод n-poly Si, подверженный высокотемпературной обработке, хотя и является полупроводником, но также имеет высокую электронную проводимость и также исполняет роль металлического электрода. Подложка p-Si является полупроводником, и мемристор имеет вид МДП-конденсатора. Однако из используемых в прототипе эквивалентных схем мемристора следует, что емкость области пространственного заряда p-Si является пренебрежимо малой, то есть концентрация дырок в подложке является настолько высокой, что она, как и верхний электрод, исполняет роль металлического электрода. Измеряемые ВАХ мемристора используются для иллюстрации РП, временные токовые характеристики - для иллюстрации процесса перехода из СВС в СНС и процесса обратного перехода, импедансные характеристики - только для импедансной спектроскопии (построения зависимостей Коула - Коула). Из этих зависимостей определяются параметры эквивалентных схем мемристора. Эти параметры являются электрофизическими параметрами мемристора в виде МДП-конденсатора, которые характеризуют процесс формовки и РП структуры мемристора. В работе проводится моделирование характеристик импедансной спектроскопии в предположении туннельного механизма переноса носителей тока (туннелирование Фаулера - Нордгейма или туннелирование электронов, сопровождаемое захватом их ловушками). Поэтому сами зависимости Коула - Коула также могут считаться электрофизическими параметрами, характеризующими процесс формовки и РП структуры мемристора. Такое моделирование в рамках принятой модели приводит к микроскопическим параметрам, характеризующим туннелирование (высота барьера или значение энергии уровня ловушек соответственно).

Недостатком способа измерения электрофизических параметров мемристоров по прототипу является то, что полупроводник исполняет роль металлического электрода. Поэтому измеряемые характеристики мемристора и определяемые из них параметры характеризуют только процессы, происходящие в диэлектрике, что не позволяют проводить детальное изучение процессов формовки и РП мемристоров. Например, способ по прототипу не позволяет определить электрофизические параметры конденсаторных структур мемристоров, характеризующих процесс формовки и происходящих в результате эмиссии электронов из электрода в диэлектрик и из диэлектрика в электрод и при электрополевой миграции ионов в диэлектрике.

Реализация нового способа измерения электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов связана, во-первых, с выбором такого содержания мелкой примеси в полупроводнике, которое обеспечивает соизмеримость емкостей диэлектрика и области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника, и, во-вторых, с получением структур с низкой плотностью поверхностных состояний на ГР ДП для устранения фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой ГР.

Задачей настоящего изобретения является реализация нового способа определения электрофизических параметров мемристора в виде МДП-конденсатора, характеризующих процесс формовки. В частности, для мемристора в виде МДП-конденсатора определяются параметры, которые характеризуют происходящие при формовке изменения не только в диэлектрике, но также на ГР ДП и в полупроводнике (захват носителей заряда ПС на ГР ДП, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование).

Техническим результатом является расширение диагностических возможностей измерения характеристик и повышение степени прогнозирования электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов для оптимизации технологии их изготовления при их разработке за счет выбора мемристоров в виде МДП-конденсаторов, в которых содержание мелкой примеси в полупроводнике обеспечивает соизмеримость емкостей диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника и отсутствует фиксация (пиннинг) уровня Ферми на этой ГР. Кроме того, предлагаемое изобретение, представляющее собой способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, проводят в следующем порядке:

выбирают мемристоры в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник с соизмеримыми емкостями диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника и с отсутствием фиксации (пиннинга) уровня Ферми на границе раздела диэлектрик/полупроводник;

для этих структур дополнительно измеряют спектральную характеристику конденсаторной фотоЭДС;

из измеренных характеристик определяют электрофизические параметры структур, которые характеризуют происходящие при формовке изменения как в диэлектрике, так и на границе раздела диэлектрик/полупроводник и в полупроводнике: захват носителей заряда поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик/полупроводник, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование.

В частном случае при проведении изложенного выше способа в качестве конденсаторных структур мемристоров используют структуры Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn (YSZ - стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония) с пассивированным (при использовании тонкого слоя InP) эпитаксиальным слоем n-GaAs.

Кроме того, предлагаемый способ применим для определения электрофизических параметров конденсаторной МДП-структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, когда в качестве конденсаторных структур мемристоров используют структуры на основе кремния. В этом случае обеспечение низких значений плотности поверхностных состояний на ГР ДП для устранения фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой ГР может быть выполнено в рамках технологии, используемой в кремниевой микроэлектронике.

Предлагаемый способ поясняется фигурами.

На фиг. 1 показан пример схемы мемристора в виде МДП-конденсатора на основе GaAs.

На фиг. 2а показаны ВАХ мемристора Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn, описывающие переключение из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением (1) (в скобках здесь и далее указаны номера кривых; значения напряжения для данной кривой (1) уменьшены в 5 раз) и переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением (2).

На фиг. 2б показаны ВАХ мемристора Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn, измеренные при приложении к ней напряжения с амплитудой развертки U_m, В: -5 (1), -7 (2), -14 (3), -16 (4), -20 (5) (кривым 1, 2 соответствуют верхняя и правая оси, а кривым 3-5 - нижняя и левая оси).

На фиг.3 показаны зависимости С (кривые 1-3) и G/ω (кривые 4-6) (С и G - малосигнальная (дифференциальная) емкость и проводимость) от напряжения на частоте 10 кГц, измеренные для исходного мемристора Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn (1, 4) и после приложения к мемристору напряжения с амплитудой развертки U_m=-10 B (2, 5) и U_m=-20 B (3, 6), на вставке фиг. 3 показаны частотные зависимости G/ω, измеренные для исходного мемристора (1, 4) и после приложения к мемристору напряжения с амплитудой развертки U_m, В: -10 (2) и -20 (3) при управляющем напряжении U, В: 0 (1-3) и +2 (4), кружками показана аппроксимация экспериментальной кривой 2 в приближении моноэнергетических ПС.

На фиг.4 показаны зависимости [1/C²](U) на частоте 1 МГц, измеренные для исходного мемристора Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn (1) и после приложения к мемристору напряжения с амплитудой развертки U_m=-10 В (2) и U_m=-20 В (3), на вставке фиг. 4 показаны спектральные зависимости фоточувствительности мемристора, измеренные после приложения к структуре напряжения с амплитудой развертки U_m=-10 В (1)и U_m=-20 В(2).

Способ осуществляется следующим образом.

Для исследуемого мемристора в виде МДП-конденсатора измеряют зависимости от напряжения U дифференциальной емкости С(U) и проводимости G(U) в параллельной эквивалентной схеме замещения конденсатора [Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. М.-Л.: Энергия, 1965. 235 с.; Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, 1977. 448 с.] в выбранном интервале частот и спектральную зависимость конденсаторной фотоЭДС. В качестве параметров выбирают: 1) направление и величину сдвига ВАХ структур мемристоров при обратном ходе развертки по напряжению при разных амплитудах развертки; 2) направление и величину сдвига зависимостей C(U) и G(U) структур мемристоров при обратном ходе развертки по напряжению при разных амплитудах развертки; 3) разностную концентрацию доноров и акцепторов в области пространственного заряда полупроводника вблизи ГР ДП; 4) фоточувствительность структур мемристоров.

ВАХ такого мемристора после формовки демонстрируют эффекты РП и памяти.

Приложение к мемристору напряжения различной величины в процессе формовки приводит к различным изменениям электрических свойств в нем. Так, в случае приложения к мемристору малых напряжений происходят изменения его электрофизических параметров, которые являются обратимыми и связаны, например, с захватом носителей заряда ловушками на ГР ДП, сформированными при стандартном изготовлении мемристора. В случае приложения к мемристору больших напряжений, сравнимых с напряжением формовки, в нем наблюдают необратимые изменения, связанные, например, с дрейфом ионов в электрическом поле. Эти изменения могут быть установлены при определении электрофизических параметров мемристора в виде МДП-конденсатора.

При малых напряжениях случай параллельного сдвига ВАХ в сторону отрицательных напряжений и расширения петли нормального гистерезиса можно объяснить увеличением встроенного положительного заряда в диэлектрике, обусловленного захватом дырок ловушками на ГР ДП. При этом поверхностную плотность ловушек N оценивают по формуле [Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1984. 252 с.]

где C_pI - емкость диэлектрика (равная максимальной емкости на частоте 10 kHz), ΔV_FB - изменение напряжения плоских зон в результате приложения напряжения к мемристору, q - величина заряда электрона.

При больших напряжениях сдвиг зависимостей С(U) и G(U) в сторону положительных напряжений с ростом |U|, свидетельствующий о том, что ГР ДП заряжалась отрицательно в процессе приложения таких напряжений к мемристору, можно объяснить необратимыми процессами, происходящими при формовке и связанными с дрейфом ионов кислорода (вакансий кислорода) в оксиде в сильных электрических полях, который сопровождается формированием проводящих шнуров. Подобный процесс, но с накоплением положительного заряда на ГР ДП, может происходить при приложении положительного напряжения к мемристору.

Для выяснения влияния приложенного к мемристору напряжения на плотность ПС N_S на ГР ДП измеряют частотные зависимости G/ω, где ω - круговая частота, для исходного мемристора и мемристора, испытавшего воздействие электрического поля. В случае, когда эти зависимости могут быть удовлетворительно аппроксимированы захватом на моноэнергетический уровень, для определения плотности поверхностных состояний N_S используют справедливое для этого приближения соотношение [Захаров А.К., Неизвестный И.Г., Овсюк В.Н. В сб.: Свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник, под ред. Ржанова А.В. М.: Наука, 1976. С. 47-97]

где (G/ω)_m - максимальное значение G/ω.

Данные об изменениях, происходящих в полупроводнике вблизи ГР ДП в результате процесса формовки, получают из измерений высокочастотных вольт-фарадных характеристик мемристора в виде МДП-конденсатора. Эти характеристики позволяют определить разностную концентрацию доноров и акцепторов в ОПЗ [Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1984. 252 с.]

$$N=\frac{2}{q\epsilon {\epsilon }_0{S}^2}\frac{\Delta \text{U}}{\Delta \frac{\text{1}}{{\text{C}}_{\text{s}}^{\text{2}}}},\text{ (3)}$$

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, C_S - емкость ОПЗ полупроводника в области истощения, $$\Delta \left(1/C_S^2\right)$$ - изменение величины $$1/C_S^2$$ при изменении U на ΔU.

Случай уменьшения величины N с ростом напряжения при формовке объясняют дефектообразованием в приповерхностной области полупроводника вследствие взаимодействия продиффундировавших ионов кислорода из диэлектрика с атомами полупроводника, что свидетельствует об образовании компенсирующих акцепторных дефектов. Этот эффект может быть подтвержден с помощью измерения спектров фоточувствительности.

Пример практической реализации способа.

Образцы конденсаторных структур мемристоров выбирают в виде МДП-конденсаторов Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn (YSZ - англ.: Yttrium-Stabilized-Zirconia - стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония) (фиг. 1) с пассивированным (при использовании тонкого слоя InP толщиной 1.5 нм [Kundu S., Haider N.N., Biswas D. et al. // J. Appl. Phys. - 2012 (034514). - V.112. - P. 1-7]) эпитаксиальным слоем n-GaAs. Структуры мемристоров формируют на основе монокристаллической подложки n+-GaAs с кристаллографической ориентацией (100). Слой n-GaAs с концентрацией электронов n₀=8·10¹⁶ см^-3 толщиной d_S=1 мкм, покрытый нелегированным слоем из InP толщиной 1.5 нм, получают на поверхности подложки методом МОС-гидридной эпитаксии. Методом магнетронного распыления на установке MagSputt - 3G - 2 осаждают пленки YSZ (12 моль. % Y₂O₃) толщиной d_I=40 нм на полупроводник при температуре подложки T_sub=200°C и электроды Au с подслоем Zr (для улучшения адгезии) площадью S=1.4·10^-3 см² на эти пленки. Омический контакт к подложке n+-GaAs создают методом вплавления Sn с помощью электрического разряда.

Изучение электрофизических параметров конденсаторных структур мемристоров проводят путем измерения ВАХ, адмиттансных характеристик и спектральной характеристики конденсаторной фотоЭДС. Измерения ВАХ и адмиттансных характеристик проводят с помощью анализатора параметров полупроводниковых приборов Agilent В1500А. Исследуют зависимости от напряжения U малосигнальной (дифференциальной) емкости С(U) и проводимости G(U) в параллельной эквивалентной схеме замещения конденсатора [Эпштейн С.Л. Измерение характеристик конденсаторов. М.-Л.: Энергия, 1965. 235 с.; Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа, 1977. 448 с.] в интервале частот f=10³÷10⁶ Гц. Измерения проводят в автоматическом режиме при тестирующем переменном напряжении 10 мВ с частотой / при скорости развертки напряжения 0.08 В/с. При этом напряжение на конденсаторе соответствует потенциалу верхнего электрода относительно потенциала подложки. Спектральную зависимость конденсаторной фотоЭДС измеряют в интервале энергий 0.6÷1.5 эВ по методике, приведенной в работе [Карпович И.А., Филатов Д.О. Фотоэлектрическая диагностика квантово-размерных гетеронаноструктур: учебно-методический материал по программе повышения квалификации "Физико-химические основы нанотехнологий". - Н. Новгород.: Изд. ННГУ, 2010. 98 с.].

ВАХ такого мемристора демонстрируют эффекты РП и памяти (фиг. 2а).

Приложение к структуре мемристора напряжения приводит к различным изменениям электрических свойств структуры при малых и больших величинах приложенного напряжения. В случае малых напряжений при обратном ходе развертки по напряжению наблюдают сдвиг ВАХ в сторону меньших по величине напряжений. Этот сдвиг возрастает при росте |U_m| и достигает максимума при U_m=-10 В. Величина тока также возрастает при изменении U_m от -5 В до -10 В. В случае дальнейшего роста величины U_m возникает сдвиг ВАХ при обратном ходе развертки по напряжению в противоположном направлении и смещение петли гистерезиса в направлении, противоположном направлению оси напряжений.

Эти изменения в ВАХ происходят при необратимых изменениях зависимостей C(U) и G(U) (фиг. 3). После приложения к мемристору напряжения с амплитудой U_m=-10 В происходит параллельный сдвиг этих зависимостей в сторону отрицательных напряжений и расширение петли нормального гистерезиса. Эти результаты соответствуют увеличению встроенного положительного заряда в YSZ, обусловленного захватом дырок ловушками на ГР ДП [Овсюк В.Н. Электронные процессы в полупроводниках с областями пространственного заряда. Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1984. 252 с.]. При этом оценка поверхностной плотности ловушек N_t с помощью выражения (1) показывает, что максимальный заряд, возникший на поверхности, соответствует значению N_t ~ 10¹³ см^-2.

Таким образом, увеличение тока через конденсаторную структуру мемристора с ростом величины приложенного к нему напряжения в случае изменения U_m в интервале -5 В ÷ -10 В приводит к захвату дырок ловушками на ГР YSZ/полупроводник, в процессе которого происходит уменьшение ширины ОПЗ в полупроводнике и, как следствие, рост напряженности электрического поля в YSZ.

В случае выбора U_m в интервале значений, которым соответствуют кривые 3-5 на фиг. 2б, зависимости C(U) и G(U) проявляют сдвиг в сторону положительных напряжений с ростом |U_m|, причем максимальный эффект наблюдают при U_m=-20 В (см. фиг. 3, кривые 3 и 6). Поведение этих зависимостей и описанных выше ВАХ в рассматриваемой области напряжений свидетельствует о том, что происходит возникновение отрицательного заряда на ГР ДП в процессе приложения таких напряжений к структуре мемристора. Отметим, что значительный рост проводимости с увеличением напряжения, описываемый кривой 6 на фиг. 3, трудно объясним только перераспределением напряжения между полупроводником и диэлектриком. Поэтому такое поведение связано с дрейфом ионов кислорода (вакансий кислорода) в оксиде в сильных электрических полях, который происходит одновременно с формированием проводящих шнуров. Приложение положительного напряжения к структуре с амплитудой U_m=2 В приводит к подобному же процессу, но с накоплением положительного заряда на ГР ДП.

При выяснении влияния приложенного к структуре напряжения на плотность поверхностных состояний N_S на ГР YSZ/полупроводник измеряют частотные зависимости G/ω для исходных структур и структур, испытавших воздействие электрического поля (см. вставку фиг. 3). Захват на моноэнергетический уровень удовлетворительно описывает эти кривые (на вставке кружками показана для примера соответствующая аппроксимация экспериментальной кривой 2).

Оценка плотности поверхностных состояний N_S с использованием выражения (2) в случае исходной структуры мемристора, находящейся при нулевом управляющем напряжении и напряжении +2 В, показывает, что изменение изгиба энергетических зон на поверхности полупроводника слабо меняет значение N_S. Приложения к структуре напряжения практически не меняет значение N_S в случае U_m=-10 В и даже несколько уменьшает значение N_S в случае U_m=-20 В от 2.2·10¹¹ см^-2 до 1.8·10¹¹ см^-2.

Данные об изменениях, происходящих в полупроводнике вблизи ГР YSZ / полупроводник в результате процесса формовки, получают из измерений высокочастотных вольт-фарадных характеристик мемристора в виде МДП-конденсатора. Эти характеристики позволяют определить разностную концентрацию доноров и акцепторов в ОПЗ с помощью выражения (3). По прямолинейным участкам в области истощения определяют значения N. В случае U_m=-10 В значение N составляет 1.2·10¹⁷ см^-3, то есть практически не возникает отличия этой величины N от ее значения для исходной структуры мемристора. В случае U_m=-20 В происходило уменьшение N до 2.7·10¹⁶ см^-3. Этот результат соответствует дефектообразованию в приповерхностной области полупроводника вследствие взаимодействия продиффундировавших ионов кислорода из YSZ с атомами решетки GaAs. Уменьшение N свидетельствует об образовании компенсирующих акцепторных дефектов. Это подтверждают спектры фоточувствительности S_ph (см. вставку на фиг. 4). Эти спектры обнаруживают повышение величины S_ph после приложения напряжения к структуре мемристора в случае U_m=-20 B в интервале энергий квантов от 0.6 до 1 эВ, что связано с фотооткликом глубоких акцепторных центров. С воздействием ионов кислорода также связан небольшой пассивирующий эффект, приводящий к отмеченному выше уменьшению плотности ПС.

Таким образом, предлагаемый способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, включает в себя определение следующих параметров: 1) направление и величина сдвига ВАХ структур мемристоров при обратном ходе развертки по напряжению при разных амплитудах развертки; 2) направление и величина сдвига зависимостей С(U) и G(U) структур мемристоров при обратном ходе развертки по напряжению при разных амплитудах развертки; 3) разностная концентрация доноров и акцепторов в области пространственного заряда полупроводника вблизи ГР ДП; 4) фоточувствительность структур мемристоров. Способ, представляя собой новый эффективный метод определения электрофизических параметров мемристора в виде МДП-конденсатора, характеризующих процесс формовки, обеспечивает выполнение указанной актуальной задачи на основе применения простого и доступного по стоимости стандартного оборудования для получения детальной информации о происходящих в процессе формовки изменениях в диэлектрике и на ГР ДП (захват носителей заряда поверхностными состояниями на ГР ДП, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование).

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способам измерения параметров наноструктур, и может быть использовано при определении электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки. Способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, включает измерение вольт-амперных и импедансных характеристик. Новым является то, что выбирают мемристоры в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник с соизмеримыми емкостями диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника, и с отсутствием фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой границе раздела; для этих структур дополнительно измеряют спектральную характеристику конденсаторной фотоЭДС; из измеренных характеристик определяют электрофизические параметры структур, которые характеризуют происходящие при формовке изменения как в диэлектрике, так и на границе раздела диэлектрик/полупроводник и в полупроводнике: захват носителей заряда поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик/полупроводник, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование. Изобретение обеспечивает расширение диагностических возможностей измерения характеристик и повышение степени прогнозирования электрофизических параметров мемристоров в виде МДП-конденсаторов для оптимизации технологии их изготовления при их разработке, кроме того, изобретение расширяет арсенал методов измерительной технологии в актуальной области изготовления мемристоров, являющихся основой нового поколения устройств энергонезависимой памяти. 1 з.п. ф-лы, , 4 ил.

1. Способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки, включающий измерение вольт-амперных и импедансных характеристик, отличающийся тем, что выбирают мемристоры в виде конденсаторов металл - диэлектрик - полупроводник с соизмеримыми емкостями диэлектрика и области пространственного заряда полупроводника, и с отсутствием фиксации (пиннинга) уровня Ферми на этой границе раздела; для этих структур дополнительно измеряют спектральную характеристику конденсаторной фотоЭДС; из измеренных характеристик определяют электрофизические параметры структур, которые характеризуют происходящие при формовке изменения как в диэлектрике, так и на границе раздела диэлектрик/полупроводник и в полупроводнике: захват носителей заряда поверхностными состояниями на границе раздела диэлектрик/полупроводник, перемещение ионов, электрохимические реакции, дефектообразование.

2. Способ определения электрофизических параметров конденсаторной структуры мемристора, характеризующих процесс формовки по п. 1, отличающийся тем, что в качестве конденсаторной структуры мемристора используют структуры Au/Zr/YSZ/InP/n-GaAs/n⁺GaAs/Sn (YSZ - стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония) с пассивированным (при использовании тонкого слоя InP) эпитаксиальным слоем n-GaAs.