МЕМРИСТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ

Название	МЕМРИСТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ
Разработчик (Авторы)	Щепина Лариса Иннокентьевна, Щепин Иннокентий Яковлевич, Паперный Виктор Львович, Черных Алексей Андреевич, Шипилова Ольга Ивановна, Иванов Николай Аркадьевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2582232
Дата регистрации	11.02.2015
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет"
Область применения (класс МПК)	H01L 45/00 (2006.01) B82B 1/00 (2006.01)

Описание изобретения

Предлагаемое изобретение относится к материалам для устройств микро- и наноэлектроники и может быть использовано для создания компьютерных систем на основе мемристорных устройств со стабильными и повторяемыми характеристиками.

С появлением возможности формирования наноразмерных структур сотрудниками Hewlett-Packard впервые было экспериментально показано, что мемристивный эффект возникает в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля.

Например, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана TiO₂ толщиной ~5 нм [D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams. The missing memristor found. Nature 2008, 453, p. 80; Williams R.S., Yang J., Pickett M., Ribeiro G., Strachan J.P. Memristors based on mixed-metal-valence compounds. WO 2011028208. 10.03.2011]. В последние годы механизм резистивного переключения в слоях оксидов титана с симметричными Pt электродами был подробно исследован [J.J. Yang et al. Memristive switching mechanism for metal/oxide/metal nanodevices. Nature Nanotechnology 2008, 3, p. 429; J.P. Strachan, J.J. Yang et al. Nanotechnology, 2009, 20, p. 485701].

Для большинства типов мемристоров, в том числе для мемристоров на основе оксидов переходных металлов, остается нерешенной проблема стабильности и воспроизводимости таких параметров, как напряжение переключения, сопротивление в низкоомном и в высокоомном состояниях. Основной причиной нестабильности характеристик мемристора является неоднородность распределения электрического поля в активном слое мемристора из-за неидеальности активного слоя. Соответственно, существует путь повышения стабильности характеристик мемристора, который заключается в поиске новых материалов.

Только за последние годы были предложены следующие материалы:

Pt/CeO_x/TiN - [Muhammad Ismail, Ijaz Talib, Chun-yang Huang et al. Resistive switching characteristics of Pt/CeO_x/TiN memory devices // Japan Journal of Appl. Phys. - 2014. - V53. - №6. - 060303].

Pt/TaO_x/TiN - [Hujang Jeon, Jingyu Park et al. Stabilized resistive switching behaviors of a Pt/TaO_x/TiN RRAM under different oxygen centers // Phys. Stat. Sol (A). - 2014. - V. 211. - №9. - 70256].

Резистивные переключатели на основе пленок BiFe_0,95sZn_0,05O₃ - [Yuan Xue-Yong, Luo Li-Rong, Wu Di et al. Bipolar resistive switching in BiFe_0,95Zn_0,05O₃ - films // Chin. Phys. B. - 2013. - V. 22. - №10. - 107702].

Hf_xAl_1-xO_y - [Markeev A., Chouprik A., Egorov K., et al. Multilevel resistive switching in ternary Hf_xAl_1-xO_y oxide with graded A1 depth profile // Microelectronic Engineering. - 2013. - v. 109. - p. 342-345]. Эта разработка защищена Российским патентом “Мемристор на основе смешанного оксида металлов” Патент РФ №2472254 H01L 45/00, B82B 1/00, 2011).

Известен мемристор на основе смешанного оксида металлов [патент РФ №2524415, H01L 45/00, В82В 1/00 2014], состоящий из чередующихся слоев, а именно активного слоя, расположенного между двумя токопроводящими слоями, причем активный слой включает смешанный оксид, активный слой состоит из двух подслоев, одним из которых является оксид гафния, а вторым является смешанный оксид, одним из элементов которого является гафний, а вторым - алюминий, а кроме того, между токопроводящим и примыкающим к нему слоем оксида гафния размещен слой оксида рутения, имеющий толщину не менее 0,5 нм, в качестве токопроводящих слоев используется нитрид титана или нитрид вольфрама.

Во всех перечисленных выше аналогах основной механизм электропереноса - дрейф ионов кислорода по анионным вакансиям, то есть пример ионной коммутации. Деградация материала вызвана, как правило, взаимодействием с кислородом атмосферы и заполнением вакансий ионами кислорода.

Наиболее близким по своей технической сущности материалом является мемристор на основе поверхностного слоя кристалла фтористого лития с нанокластерами магния, внедренными в поверхностный слой кристалла путем ионной имплантации [Н.А. Иванов, В.Л. Паперный, Л.И. Щепина и др. Перспективные материалы для резистивных переключателей на основе кристаллов фтористого лития с наноструктурами. // Известия Вуз. Физика. - 2013. - Т. 56. - №2/2. - с. 166-169]. В качестве активного слоя используется поверхностный слой кристалла фтористого лития с нанокластерами магния, внедренными в поверхностный слой кристалла путем ионной имплантации Mg⁺ с энергией частиц ~100 keV и флюенсом 1,6·10¹⁷-3,2·10¹⁷ cm^-2. С данной энергией глубина проникновения ионов магния в кристалл составляет порядка 100 нм.

Поскольку в поверхностном слое кристалла LiF создаются нанокластеры Mg данный мемристорный материал относится к электронным коммутаторам. Электронные переключатели обладают высокой стабильностью и повторяемостью характеристик мемристора, однако имплантация ионов - самый дорогостоящий процесс к настоящему времени.

Недостатком прототипа является достаточно сложная технология приготовления материала и относительно худшие технические параметры, например R_off/R_on<10³.

Задачей данного изобретения является упрощение технологии приготовления мемристорного материала и улучшение технического параметра R_off/R_on > или равно 10³.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в мемристорном материале, включающем наноразмерный слой фтористого лития, содержащий нанокластеры металла, наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров используется медь.

Предлагаемый материал поясняется следующими закономерностями.

Одной из характеристик мемристорного материала является соотношение сопротивлений в выключенном и включенном состояниях (R_off/R_on). Это соотношение должно быть больше или равно 10³. На фиг. 1 представлена зависимость R_off/R_on от концентрации нанокластеров меди в пленке фтористого лития. Концентрация меди оценивалась по оптической плотности (D) в полосе плазмонного резонанса на длине волны 330 нм.

Согласно представленной зависимости нижняя граница концентрации нанокластеров меди определяется величиной D=0,94 на длине волны 330 нм. Верхняя граница D=2,2. Дальнейшее увеличение концентрации нанокластеров меди в пленке LiF сопровождается образованием окиси и закиси меди, которые ухудшают характеристики мемристора. Закись меди (Cu₂O) увеличивает ток в выключенном состоянии, а окись меди (CuO) увеличивает сопротивление пленки во включенном состоянии.

На фиг. 2 представлена зависимость параметра R_off/R_on от числа циклов переключения для пленки LiF с концентрацией нанокластеров меди D=0,94 на длине волны 330 нм. Наблюдается высокая стабильность и повторяемость характеристик мемристора на основе пленки фтористого лития с нанокластерами меди при минимальных затратах на ее изготовление.

Таким образом, сочетание известных признаков мемристорного материала и отличительных признаков позволяет получить новый технический результат, а именно упростить технологию приготовления мемристорного материала и улучшить технический параметр R_off/R_on>10³.

Формула изобретения

Мемристорный материал, включающий наноразмерный слой фтористого лития, содержащего нанокластеры металла, отличающийся тем, что наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров используется медь.

Изобретение "МЕМРИСТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ" (Щепина Лариса Иннокентьевна, Щепин Иннокентий Яковлевич, Паперный Виктор Львович, Черных Алексей Андреевич, Шипилова Ольга Ивановна, Иванов Николай Аркадьевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога