Структура с резистивным переключением Российский патент 2020 года по МПК H01C7/13 

В последнее время значительный интерес привлекают структуры с резистивными переключениями, для которых значение электросопротивления при нулевом токе управляется величиной и знаком предварительно приложенного напряжения. Впервые такие структуры были рассмотрены теоретически как четвертый недостающий элемент электротехники, наряду с резистором, емкостью и индуктивностью (L.О. Chua, IEEE Trans. Circuit Theory 18, 507-519 (1971)). Предполагается использование таких систем для нейроморфных вычислений и хранения информации.

Известно устройство, представляющее собой слоистую структуру металл-диэлектрик-металл с резистивными переключениями [А.С. Веденеев, В.А. Лузанов, В.В. Рыльков, Эффекты монополярного резистивного переключения в тонких слоях алмазоподобного углерода Письма в ЖЭТФ, 109, с. 170 (2019)] - прототип, включающее два платиновых электрода с тонким (20 нм) слоем алмазоподобного углерода (diamond-like carbon - DLC) между ними. При приложении напряжения между электродами возникают резистивные переключения из высокоомного в низкоомное состояние и обратно при достижении напряженности электрического поля в диэлектрике 10⁶ В/см, которые объясняются сменой типа гибридизации (sp³→sp²) локальных углеродных областей. Таким образом, данная структура Pt/DLC/Pt демонстрирует эффект резистивных переключений.

Недостатком устройства-прототипа является необходимость использования высоких напряженностей электрического поля 10⁶ В/см в тонком (20 нм) слое диэлектрика, что грозит необратимым пробоем диэлектрика и выходом прибора из строя, и, по сути, ограничивает количество рабочих циклов переключения из высокоомного в низкоомное состояние и обратно.

Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении системы с резистивными переключениями, где переключения происходят при малых напряженностях электрического поля.

Поставленная задача решается тем, что в системе резистивных переключений, включающей два металлических электрода и слой диэлектрика, в качестве диэлектрика используется пленка аморфной сурьмы, а электроды нанесены на одну сторону пленки.

Для тонких (10-20 нм) пленок сурьмы, полученных при небольшой скорости конденсации (0.5 А/с), наблюдается характерная для аморфных пленок коагуляция частиц конденсата. Коагулированные конгломераты конденсированных частиц имеют типичные размеры от 300 нм до 1 мкм, что подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями. В силу наличия таких конгломератов, аморфные тонкие пленки сурьмы обладают перколяционной структурой протекания электрического тока, т.е. ток протекает неоднородно, концентрируясь в проводящих участках сложной формы (перколяционных кластерах). Изменение структуры перколяционных кластеров под воздействием приложенного напряжения смещения является основой для создания принципиально новой системы резистивных переключений.

Сопротивление перколяционной структуры при нулевом напряжении определяется самой высоко резистивной областью перколяционного кластера. Известно, что аморфные пленки сурьмы имеют отдельные кристаллические включения, что подтверждается структурными (атомно-силовыми, электронно-микроскопическими) исследованиями. Попадая в высокорезистивную область, такое кристаллическое (проводящее) включение слабо связано с соседними проводящими областями. При приложении большого напряжения между электродами такое кристаллическое включение будет заряжаться при одном знаке тока и разряжаться при другом, причем этот процесс носит характер пробоя промежутка до ближайшей проводящей области и требует приложения конечного напряжения пробоя к промежутку. Состояние такого малого кристаллического включения заряжен/незаряжен определяет конфигурацию высокорезистивных областей в образце, т.е. значение сопротивления образца при нулевом напряжении смещения. Использование для реализации резистивных переключений изменения перколяционной структуры протекания тока в силу процессов перезарядки отдельных малых проводящих областей позволяет снизить напряженность электрического поля на два порядка, до 10⁴ В/см и избежать деградации образца при множественных циклах переключений.

Пример исполнения устройства показан Фиг. 1 а), где 1 - тонкая пленка аморфной сурьмы, 2 - контакты из алюминия, расстояние между которыми составляет 20 мкм, нанесенные методом холодной ультразвуковой микросварки, 3 - стеклянная подложка. Фиг. 1 б) демонстрирует фотографию устройства, вид сверху, где 1- тонкая пленка, 2 - контакты.

На Фиг. 2 показан график зависимости дифференциальной проводимости dl/dV (величина, обратная дифференциальному сопротивлению) от электрического напряжения V, приложенного к образцу. Напряжение V на графике меняется от +10 В до -10 В и обратно, от -10 В до +10 В, направление изменения напряжения кривых на графике показано стрелками.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Между металлическими контактами плавно прикладывается напряжение до 10 В, после чего напряжение снимается и дифференциальное сопротивление образца принимает определенное стабильное значение. При вводе напряжения другой полярности -10 В и снятии напряжения, дифференциальное сопротивление принимает другое стабильное значение. Разница между этими значениями обозначена на Фиг. 2 величиной Δ(dl/dV). Оба значения стабильны в течение длительных (более трех часов) промежутков времени и хорошо воспроизводимы при множественных циклах изменения напряжения.

Изобретение предназначено для применения в электронике для нейроморфных вычислений и хранения информации. Структура с резистивным переключением включает два металлических алюминиевых контакта, нанесенных на поверхность тонкой пленки аморфной сурьмы. Изобретение обеспечивает получение структуры с резистивным переключением при малых напряженностях электрического поля. 2 ил.

Структура с резистивным переключением, включающая два металлических электрода и слой диэлектрика, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрика используется пленка аморфной сурьмы, а электроды нанесены на одну сторону пленки.