Оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO2(Y)/Si с наноостровками Ge Российский патент 2023 года по МПК H10N70/10 

Предлагаемое изобретение относится к твердотельным электрическим приборам с наноразмерной активной средой в виде наноостровков Ge на Si, являющихся концентраторами электрического поля, касается способа управления работой мемристорной конденсаторной структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с помощью освещения, который может быть использован при создании нового поколения устройств энергонезависимой памяти для применения в областях мемристивной оптоэлектроники, спинтронике, нейроморфных вычислительных системах и т.д.

Заявляемый твердотельный прибор на базе структуры МДП представляет собой оптически управляемый мемристор, предназначенный для осуществления переключения между двумя (или несколькими) состояниями сопротивления под действием импульсов электрического напряжения, подаваемых на электроды, и одновременно оптического излучения (постоянного или импульсного) с определённой длиной волны, подаваемого в активную область прибора в виде сфокусированного луча, по оптическому волноводу и т.п. Предназначение прибора состоит в управлении величиной силы электрического тока, протекающего через прибор, при помощи внешнего оптического сигнала. Отличительной особенностью прибора является то, что значение электрического сопротивления прибора, установившееся под действием оптического излучения, сохраняется после выключения оптического сигнала на период до 10 лет, в т. ч. – при отсутствии напряжения между терминалами (т.е. прибор реализует эффект оптически управляемой энергонезависимой резистивной памяти).

Оптически управляемый мемристор выполняется на базе структуры типа МДП (Фиг. 1). На поверхности подложки сильнолегированного n+-Si(001) (которая является одним из электродов конденсаторной структуры) методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращивается буферный слой n-Si с толщиной, достаточной для заращивания всех поверхностных дефектов, оставшихся после предварительной механической и химико-механической подготовки подложки. Затем в том же цикле роста (без выноса образца на воздух) на поверхности буферного слоя методом горячей проволоки из моногермана (GeH₄), напускаемого в камеру роста [1], выращиваются наноостровки Ge. В процессе роста слой Ge может дополнительно легироваться Sb с целью понижения плотности поверхностных состояний [2]. Затем на поверхность структуры n+-Si(001)/n-Si с наноостровками Ge методом магнетронного распыления осаждается плёнка ZrO₂(Y) (12% мол. Y₂O₃), являющаяся функциональным слоем мемристорной структуры, в которой реализуется филаментарный механизм резистивного переключения и которая обладает резистивной памятью. Верхний электрод МДП структуры выполняется из прозрачного электропроводящего материала, например, из смеси оксидов In и Sn (англ. indium-tin oxide – ITO), наносимого методом электронно-лучевого испарения через маску. Оптическое излучение вводится в активную область прибора через прозрачный проводящий слой перпендикулярно плоскости МДП структуры (посредством сфокусированного луча, через волоконный световод и т.п.). На основе описанной структуры формируются меза-приборы (например, типа «кросс-пойнт») или массивы (например, типа «кросс-бар»).

Имеющиеся аналоги.

Изучение влияния света на эффект резистивного переключения (РП) (мемристивный эффект) является одним из перспективных направлений в связи с возможностью создания элементов резистивной памяти, переключение которых может осуществляться воздействием света.

В работах [3, 4] показано, что в прозрачной мемристорной структуре ITO/HfO₂/ITO после электрического перевода ее в состояние низкого сопротивления (СНС) (процесс SET) световым воздействием видимого диапазона длин волн структура может быть переведена в состояние высокого сопротивления (СВС) (процесс RESET) при электрическом напряжении меньшем, чем без воздействия света. Таким образом, в мемристорной структуре процесс SET может осуществляться путем приложения соответствующего напряжения V_SET (Electrical SET), тогда как обратный процесс RESET может быть реализован как приложением соответствующего напряжения V_RESET (Electrical RESET), так и оптическим воздействием (Optical RESET). Показано, что кислородные вакансии в HfO₂ способны рекомбинировать с ионами кислорода при световом освещении, что приводит к разрыву проводящего филамента между верхним и нижним электродами, что соответствует процессу оптического сброса.

Аналогичное явление отрицательной фотопроводимости наблюдалось в тонких подзатворных диэлектриках HfO₂, SiO₂ [5].

Противоположное влияние света на резистивное переключение отмечалось в работах [6, 7] в МДП-структурах на основе кремния Zr/ZrO₂(Y)/n-Si и ITO/SiO_x/p-Si. Показано влияние света видимого диапазона на резистивное переключение, причем отмечалось стимулирование светом переключения в состояние СНС (т.е. процесса SET), тогда как на обратный процесс свет влияния не оказывал. Предполагалось, что изменение параметров резистивного переключения в МДП-структуре при фотовозбуждении связанно с образованием фото ЭДС на барьере Si/диэлектрик при межзонном поглощении излучения в Si кванта с энергией hv > E_g (E_g — ширина запрещённой зоны Si), что приводило к усилению электрического поля в слое диэлектрика и, тем самым, стимулировало резистивное переключение. Соответствующий способ управления работой мемристорной структурой на основе МДП-структуры предложен в патенте RU 2 706 197 C1 (Способ управления работой мемристивной конденсаторной структуры металл-диэлектрик-полупроводник).

Контролируемое создание дефектов в мемристорных структурах является хорошо известным способом улучшения параметров резистивного переключения. Способы управляемого создания дефектов [8] включают в себя процессы легирования, создание радиационных дефектов путем облучения ионами, внесение в структуру переключающего слоя нанокластеров или слоя металла, создание специальной дефектной конструкции электродов и т.п. В частности в патентах RU 2 706 207 C1 (Способ изготовления мемристора с наноконцентраторами электрического поля) и RU 2 749 028 C9 (Способ получения активной структуры элемента энергонезависимой резистивной памяти) предложены способы улучшения параметров мемристоров за счет встраивания внутрь или на одну из границ изолирующего слоя мемристорной структуры нанокластеров. Показано, что наночастицы могут усиливать электрическое поле и направлять процесс формирования филамента, стимулируя, таким образом, процесс электроформинга и последующее переключение в состояние СНС (процесс SET).

В работе [9] исследовано влияние излучения с hv > E_g на РП в МДП-структуре Zr/ZrO₂(Y)/n-Si с островками GeSi на поверхности Si. Показано, что самоформирующиеся наноостровки GeSi, встроенные на границе раздела диэлектрик−полупроводник, инициируют биполярное РП без предварительной электроформовки. Наблюдалось также стимулированное оптическим излучением резистивное переключение структур из СНС в СВС (процесс SET). В работе [10] на подобных структурах удалось наблюдать помимо влияния видимого света, фоточувствительность также и в ближней инфракрасной области длин волн (так называемом коммуникативном диапазоне длин волн λ = 1.3–1.55 μм).

Наиболее близкой по сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемому изобретению является мемристорная структура на основе ITO/ZrO₂(Y)/Si с наноостровками Ge, описанная в статье [10], принятая за ближайший аналог (прототип).

Обоснование полезности предлагаемого изобретения.

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.

На основе предлагаемой структуры может быть сформирован массив (одномерный или двумерный) логических элементов (например, типа «кросс-бар» или «кросс-пойнт»), в котором отдельные мемристивные элементы 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 подобных массивов мемристивных элементов могут 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.

Описание физических принципов работы прибора.

Для переключения мемристора из состояния с высоким сопротивлением (СВС) в состояние с низким сопротивлением (СНС) (процесс SET) на верхний электрод структуры подаётся (относительно нижнего проводящего слоя) напряжения V₀, меньшее напряжения переключения V_SET из СВС в СНС в темноте, создающее в слое функционального диэлектрика электрическое поле с напряжённостью F. Ввиду наличия на поверхности нижнего электрода локальных неровностей в виде наноостровков Ge, напряжённость электрического поля вблизи вершины наноостровка возрастает, достигая ~ 10⁷ В/см.

Поглощение оптического излучения с энергией hv > E_g (E_g — ширина запрещённой зоны Si) происходит в Si подложке. В случае фотовозбуждения ИК излучением с hv < E_g, влияние ИК излучения на РП можно объяснить следующем образом. На Фиг. 2 качественно показана зонная диаграмма обратно смещённой МДП-структуры с наноостровками Ge в темноте и при фотовозбуждении с hv < E_g. В этом случае, излучение частично поглощается островками Ge (непрямые межзонные оптические переходы как в прямом, так и в обратном пространствах). Фотовозбуждённые электроны дрейфуют в квазинейтральную область n-Si в поле барьера полупроводник (Si) – диэлектрик (ZrO₂(Y)). В то же время, фотогенерированные дырки остаются локализованными в островках Ge. Образующийся в результате разделения фотовозбуждённых электронно-дырочных пар электрический диполь приводит к возникновению фотоЭДС на барьере Si/ZrO₂(Y) ΔФ и, соответственно, к уменьшению ширины области пространственного заряда (ОПЗ) барьера W. В свою очередь, это приводит к увеличению напряжённости электрического поля в слое ZrO₂(Y). Вследствие этого, происходит дальнейшее увеличение напряжённости электрического поля особенно вблизи наноостровка Ge, что, в свою очередь, стимулирует рост проводящего филамента в слое функционального диэлектрика и, соответственно, переключение мемристора из СВС в СНС.

Обратное переключение мемристора из СНС в СВС (процесс RESET) осуществляется при подаче на электроды мемристорной структуры напряжения обратной полярности. При этом усиление электрического поля вблизи наноостровка Ge способствует разрушению проводящего филамента.

Требования к параметрам слоёв структуры.

Толщина слоя функционального слоя диэлектрика d₀ определяется следующим требованием: величина напряжённости электрического поля вблизи поверхности наноостровка Ge при условии подачи на электроды структуры напряжения V₀ должна достигать значения, необходимого для полевого вырывания иона материала функционального диэлектрика (например, O^2– в случае ZrO₂(Y)) из узла кристаллической решётки (как правило, ~10⁷ В/см).

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.

Например, для ZrO₂(Y) d₀ составляет 20-40 нм.

Размер наноостровков Ge должен быть подобран таким образом, чтобы положение уровней размерного квантования в наностровках обеспечивало поглощение интересующей длины волны оптического излучения.

Например, для диапазона длин волн λ = 1.3–1.55 μм размер (средняя высота) наноостровков Ge должен находится в диапазоне 7-10 нм (Фиг.3).

Предлагаемое изобретение относится к твердотельным электрическим приборам с наноразмерной активной средой в виде наноостровков Ge на Si, являющихся концентраторами электрического поля, касается способа управления работой мемристорной конденсаторной структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с помощью освещения, который может быть использован при создании нового поколения устройств энергонезависимой памяти для применения в областях мемристивной оптоэлектроники, спинтронике, нейроморфных вычислительных системах и будет использоваться для решения ряда актуальных задач компьютерной технологии, в частности в областях искусственного интеллекта, нейроморфных вычислений. 3 ил.

Оптически управляемый мемристор на основе МДП-структуры ITO/ZrO₂(Y)/Si с наноостровками Ge, в котором толщина функционального слоя диэлектрика d₀ составляет 20-40 нм при включенном оптическом излучении, для функционирования прибора при напряжении переключения до 2 В в темноте и до 1.5 В при свете, величина напряженности электрического поля вблизи поверхности наноостровка Ge при подаче на электроды структуры напряжения V₀ должна достигать значения, необходимого для полевого вырывания иона материала функционального диэлектрика из узла кристаллической решетки, размер наноостровков Ge в диапазоне 7-10 нм для диапазона длин волн λ = 1.3-1.55 нм, чтобы положение уровней размерного квантования в наностровках обеспечивало поглощение интересующей длины волны оптического излучения, отличающийся тем, что данные характеристики позволяют использовать его для долговременного хранения информации, где отдельные мемристивные элементы дополнительно реализуют функцию запоминания, на основе подобных массивов мемристивных элементов могут быть реализованы активные интеллектуальные сенсоры изображения, преобразующие захватываемое изображение в цифровые или аналоговые электрические сигналы и выполняющие функцию обработки видеоинформации, в том числе с применением нейроморфных алгоритмов.