Статья

Название статьи РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В МЕМРИСТОРНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ТИТАНА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА И СИНАПТРОНИКИ
Автор В. И. Авилов, В. А. Смирнов, Н. А. Шарапов
Рубрика РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Месяц, год 02, 2018
Индекс УДК 621.38-022.532
DOI 10.23683/2311-3103-2018-2-34-46
Аннотация Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния геометрических параметров (размерного эффекта) на резистивное переключение мемристорных структур на основе оксида титана, сформированных методом локального анодного окисления (ЛАО). С использованием численного моделирования на основе расчета распределения электрического потенциала и концентрации ионов кислорода в системе зонд-воздух-оксид-подложка определены значения потока окислителя к поверхности подложки, скорость роста оксида титана, профиль формируемой оксидной наностуктуры (ОНС), а также зависимости высоты и диаметра от основных управляющих параметров ЛАО (амплитуды и длительности импульсов приложенного напряжения, уровня относительной влажности внутри технологической камеры, расстояния зонд-подложка). Показано, что смоделированный профиль ОНС хорошо коррелирует с экспериментальными результатами. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния толщины ОНС титана, сформированных методом ЛАО на их мемристорные свойства. Показано, что ОНС титана, полученные методом ЛАО, проявляют мемристорный эффект без проведения дополнительной электроформовки и переключаются между состояниями с высоким (HRS) и низким (LRS) сопротивлением при напряжениях переключения менее 3 В. Установлено, что увеличение толщины ОНС от 4,5±0,7 до 7,9±0,3 нм приводит к уменьшению отношения сопротивлений оксидных наноструктур в состояниях HRS и LRS сопротивлением от 250 до 10,7 соответственно. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления элементов систем искусственного интеллекта и синаптроники на основе мемристорных наноструктур.

Скачать в PDF

Ключевые слова Нанотехнологии; наноматериалы; наноэлектроника; RRAM; мемристорные структуры; локальное анодное окисление; пленка титана; оксидные наноразмерные структуры.
Библиографический список 1. Ting-Chang Chang, Kuan-Chang Chang, Tsung-Ming Tsai, Tian-Jian Chu and Simon M. Sze Resistance random access memory // Materials Today. – 2016. – Vol. 19, No. 5. – P. 254-264.
2. Cong Ye, JiajiWu, Gang He, Jieqiong Zhang, Tengfei Deng, Pin He, HaoWang. Physical Mechanism and Performance Factors of Metal Oxide Based Resistive Switching Memory:
A Review // Journal of Materials Science & Technology. – 2016. – Vol. 32. – P. 1–11.
3. An Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and Applications // Solid-State Electronics. – 2016. – Vol. 125. – P. 25-38.
4. Pan F., Gao S., Chen C., Song C., Zeng F. Recent progress in resistive random access memories: Materials, switching mechanisms, and performance // Materials Science and Engineering. R 83 (2014). – P. 1-59.
5. Ageev O.A., Ilin O.I., Kolomiytsev A.S., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A Investigation of effect of geometrical parameters of vertically aligned carbon nanotubes on their mechanical properties // Advanced Materials Research. – 2014. – Т. 894. – P. 355-359.
6. Sieu D. Ha, Ramanathan S. Adaptive oxide electronics: A review // Journal of Applied Physics. – 2011. – Vol. 110, 071101. – P. 1-20.
7. Linggang Zhu, Jian Zhou, Zhonglu Guo, Zhimei Sun. An overview of materials issues in resistive random access memory // J. Materiomics. – 2015. – No. 1. – P. 285-295.
8. Szot K., Rogala M., Speier W., Klusek Z., and al. TiO2 – a prototypical memristive material // Nanotechnology. – 2011. – Vol. 22. – P. 21.
9. Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Ильин О.И., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Рубашкина М.В., Смирнов В.А., Федотов А.А. Мемристорный эффект на пучках вертикально ориентированных углеродных нанотрубок при исследовании методом сканирующей туннельной микроскопии // Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83, № 12. – С. 128-133.
10. Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Ильин О.И., Коноплев Б.Г., Рубашкина М.В., Смирнов В.А., Федотов А.А. Исследование резистивного переключения вертикально ориентированной углеродной нанотрубки методами сканирующей зондовой микроскопии // Физика твердого тела. – 2015. – Т. 57, № 4. – С. 807-813.
11. Агеев О.А., Золотарев Д.В., Климин В.С., Чередниченко Д.И. Изучение закономерностей роста углеродных нанотрубок при плазменно-химическом осаждении из газовой фазы // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 61-68.
12. Климин В.С., Еськов А.В., Петров Н.Н. Исследование влияния режимов плазмохимического травления поверхности арсенида галлия в плазме BCl3\Ar\SF6 // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 6-14.
13. Ильин О.И., Климин В.С., Надда М.З., Петров В.В., Рудык Н.Н., Федотов А.А., Чинь В.М., Яненко В.Ю. Исследование газочувствительных свойств пленок нанокомпозитов с углеродными нанотрубками // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 116-136.
14. Климин В.С. Исследование влияния режимов профилирования поверхности структур на основе арсенида галлия методом плазмохимического травления с учетом потока хлорсодержащего газа // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2017. – № 4 (189). – С. 169-178.
15. Avilov V.I., Polupanov N.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Scanning probe nanolithography of resistive memory element based on titanium oxide memristor structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – Vol. 256. – P. 012001.
16. Смирнов В.А. Зондовые нанотехнологии элементов резистивной памяти на основе мемристорных структур // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2017. – № 4 (189). – С. 158-169.
17. Авилов В.И., Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Цуканова О.Г. Исследование фазового состава наноразмерных структур, полученных локальным анодным окислением пленок титана // Физика и техника полупроводников. – 2016. – Т. 50,
№ 5. – С. 612-618.
18. Авилов В.И., Агеев О.А., Смирнов В.А. и др. Формирование и исследование матрицы мемристоров на основе оксида титана методами зондовой нанотехнологии // Известия вузов. Электроника. – 2014. – № 2 (106). – С. 50-57.
19. Pablo F. Siles, B.S. Archanjo, D.L. Baptista, V.L. Pimentel, J. Joshua et al. Nanoscale lateral switchable rectifiers fabricated by local anodic oxidation // Journal of Applied Physics. – 2011. – Vol. 110, No. 2, 024511. – P. 4.
20. Смирнов В.А., Агеев О.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ТРТУ. – 2005. – № 9 (53). – С. 61.
21. Агеев О.А., Поляков В.В., Смирнов В.А., Коломийцев А.С. Исследование влияния режимов фотонной стимуляции на процессы нанолитографии методом локального анодного окисления // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2006. – № 9-1 (64). – С. 117.
22. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А. и др. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 1(90). – С. 14-16.
23. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А. и др. Зондовая фотонно-стимулированная нанолитография структур на основе пленки титана // Микроэлектроника. – 2007. – Т. 36, № 6. – С. 403-408.
24. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пучков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 4-8.
25. Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Применение метода фокусированных ионных пучков для модификации зондовых датчиков атомно-силовых микроскопов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 166-171.
26. Быков А.В., Коломийцев А.С., Полякова В.В., Смирнов В.А. Профилирование зондов для сканирующей зондовой нанодиагностики методом фокусированных ионных пучков // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 133-140.
27. Смирнов В.А. Применение зондовой нанолитографии для формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления пленки титана // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 15-24.
28. Смирнов В.А. Нанолитография элементов наноэлектроники на основе оксида титана // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2016. – № 10 (183). – С. 27-40.
29. Smirnov V.A. Nanolithography by local anodic oxidation of thin titanium film // In book: Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. – 2015.
– P. 85-103.
30. Ageev O.A., Kolomiytsev A.S., Smirnov V.A., Kots I.N., Bykov A.V. Fabrication of advanced probes for atomic force microscopy using focused ion beam // Microelectronics Reliability.
– 2015. – Vol. 55, No. 9-10. – P. 2131-2134.
31. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А. и др. Фотоактивация процессов формирования наноструктур методом локального анодного окисления пленки титана // Известия вузов. Электроника. – 2010. – № 2 (82). – C. 23-30.
32. Авилов В.И., Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Моделирование процесса формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления поверхности металла // Журнал технической физики. – 2015. – Т. 85, № 5. – C. 88-93.
33. Агеев О.А., Солодовник М.С., Смирнов В.А. и др. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – C. 8-13.
34. Агеев О.А. Солодовник М.С., Смирнов В.А. и др. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия вузов. Электроника. – 2012. – № 2 (94). – C. 43-50.
35. Авилов В.И., Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Цуканова О.Г. Исследование режимов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Российские нанотехнологии.
– 2015. – Т. 10, № 3-4. – С. 42-46.
36. Смирнов В.А., Авилов В.И., Саубанова Л.Р., Солодовник М.С., Полякова В.В., Цуканова О.Г., Краснобородько С.Ю. Профилирование эпитаксиальных слоев арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 84-93.
37. Choi B.J., Jeong D.S., Kim S.K., Rohde C., Choi S. Resistive switching mechanism of TiO2 thin films grown by atomic-layer deposition // Journal of Applied Physics. – 2005. – Vol. 98, 033715. – P. 1-10.
38. Omura Yasuhisa, Kondo Yusuke. Impact-ionization-based resistive transition model for thin TiO2 films // Journal of Applied Physics. – 2013. – Vol. 114, No. 4. – P. 6.
39. Jeong D.S., Schroeder H., Waser R. Mechanism for bipolar switching in a Pt/TiO2/Pt resistive switching cell // Physical Review B. – 2009. – Vol. 79, 195317. – P. 1-10.
40. Bersuker G., Gilmer D.C., Veksler D., Kirsch P., Vandelli L. Metal oxide resistive memory switching mechanism based on conductive filament properties // Journal of Applied Physics.
– 2011. – Vol. 110, 124518. – P. 1-12.

Comments are closed.