ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В НЕ ТРЕБУЮЩИХ ФОРМОВКИ ОКСИДНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ ТИТАНА
Ключевые слова:
Нанотехнологии, наноматериалы, мемристор, сканирующая зондовая микроскопия, локальное анодное окисление, оксидные наноразмерные структуры титана, эффект резистивного переключения
Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния материала верхнего контакта на эффект резистивного переключения в структуре Ti/TiO2/верхний электрод. Исследования показали, что применение Pt в качестве верхнего контакта позволяет снизить энергопотребление структуры Ti/TiO2/верхний электрод в 54,71 раз по сравнению с TiN, и снизить энергопотребление в 63,66 раз по сравнению с C. Получены зависимость сопротивления оксидных наноразмерных структур титана от количества переключений в точке, а также зависимость сопротивления от номера точки на поверхности оксидных наноразмерных структур титана. Показано, что для всех материалов верхнего контакта при исследовании эффекта резистивного переключения в разных точках на поверхности оксидных наноразмерных структур титана по сравнению с исследованием в одной точке, разброс сопротивлений в состояниях HRS увеличился на 9,87 % и в LRS на 40,08 % для Pt, в HRS увеличился на 27,67 % и в LRS на 30,43 % для TiN, в HRS увеличился на 19,04 % и в LRS на 46,65 % для C. Изготовлен и исследован макет элемента резистивной памяти из 16 мемристоров на основе оксидных наноразмерных структур титана. Определены ток переключения ISET = 20 нА, напряжение USET = +2,13±0,15 В, и напряжение URES = ‑2,93±0,47 В. Построены зависимость сопротивления макета элемента памяти от количества переключений, а также зависимость сопротивления от номера элемента. Показано, что сопротивление в HRS и LRS состояниях составляло 10,28±1,84 и 0,06±0,02 ГОм, соответственно. Отношение сопротивлений макета элемента резистивной памяти в HRS/LRS состояниях составило 171. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов формирования элементов резистивной памяти с использованием зондовых нанотехнологий.
Литература
1. Xiao Liang Hong, Desmond Jia Jun Loy, Putu And hit Dananjaya, Funan Tan, Chee Mang Ng, and Wen Siang Lew Oxide-based RRAM materials for neuromorphic computing // Journal of Materials Science. 2018. 53. – p. 8720-8746.
2. Mohammed A. Zidan, John Paul Strachan and Wei D. Lu The future of electronics based on memristive systems // Nature Electronics. 2018. V. 1. – p. 22-29.
3. An Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and Applications // Solid-State Electronics. 2016, 125. – p. 25-38.
4. Смирнов В.А., Томинов Р.В., Авилов В.И., Алябьева Н.И., Вакулов З.Е., Замбург Е.Г., Хахулин Д.А., Агеев О.А. Исследование мемристорного эффекта в нанокристаллических пленках ZnO // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 1. – c. 77-82.
5. Tominov R.V., Zamburg E.G., Khakhulin D.A., Klimin V.S., Smirnov V.A., Chu Y.H., Ageev O.A. Investigation of resistive switching of ZnxTiyHfzOi nanocomposite for rram elements manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917.– p. 032023.
6. Khakhulin D.A., Vakulov Z.E., Smirnov V.A., Tominov R.V., Yoon J.G., Ageev O.A. Resistive switching in ZnO/ZnO:In nanocomposite // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917. – p. 092008.
7. Ильина М.В., Ильин О.И., Блинов Ю.Ф., Смирнов В.А., Агеев О.А. Неравномерная упругая деформация и мемристорный эффект в ориентированных углеродных нанотрубках // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 11. – с. 1726-1733.
8. Ageev O.A., Blinov Y.F., Ilina M.V., Ilin O.I., Smirnov V.A. Modeling and experimental study of resistive switching in vertically aligned carbon nanotubes // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Т. 741, № 1. – p. 012168.
9. Il'ina M.V., Il'in O.I., Blinov Y.F., Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Fedotov A.A., Konoplev B.G., Ageev O.A. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. 2017. Т. 123. – p. 514-524.
10. Ageev O.A., Ilin O.I., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A., Tsukanova O.G. Determination of the electrical resistivity of vertically aligned carbon nanotubes by scanning probe microscopy // Technical Physics. 2015. Т. 60, № 7. – p. 1044-1050.
11. Ageev O.A., Blinov Y.F., Il'ina M.V., Konoplev B.G., Smirnov V.A. Resistive switching of vertically aligned carbon nanotubes for advanced nanoelectronic devices // In book: Intelligent Nanomaterials: Second Edition. 2016. – p. 361-394.
12. Ageev O.A., Konoplev B.G., Rubashkina M.V., Rukomoikin A.V., Smirnov V.A., Solodovnik M.S. Studying the effect of geometric parameters of oriented GaAs nanowhiskers on Youngs modulus using atomic force microscopy // Nanotechnologies in Russia. 2013. Т. 8. № 1-2. – p. 23-28.
13. Агеев О.А. Смирнов В.А., Солодовник М.С., Рукомойкин А.В., Авилов В.И. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2012. – № 2(94). – с. 43-50.
14. 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. – p. 012001.
15. Смирнов В.А. Нанолитография элементов наноэлектроники на основе оксида титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 10 (183). –c. 27-40.
16. Смирнов В.А. Применение зондовой нанолитографии для формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления пленки титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 15-24.
17. 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.
18. Авилов В.И., Агеев О.А., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Формирование и исследование матрицы мемристоров на основе оксида титана методами зондовой нанотехнологии // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014. № 2(106). – c. 50-57.
19. Томинов Р.В., Смирнов В.А., Черненко Н.Е., Агеев О.А. Исследование режимов силовой зондовой нанолитографии // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12, № 11-12. – с. 69-75.
20. Смирнов В.А., Агеев О.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ЮФУ. Технические науки, 2005. – Т. 53. № 9. – с. 61.
21. 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. – c. 42-46.
22. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. 2008. №1(90). – с. 14–16.
23. Avilov V.I., Ageev O.A., Konoplev B.G., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Tsukanova O.G. Study of the phase composition of nanostructures produced by the local anodic oxidation of titanium films // Semiconductors. 2016. Т. 50. № 5. – p. 601-606.
24. Ageev O.A., Alyab'eva N.I., Konoplev B.G., Polyakov V.V., Smirnov V.A. Photoactivation of the processes of formation of nanostructures by local anodic oxidation of a titanium film // Semiconductors. 2010. Т. 44. № 13. – p. 1703-1708
25. 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. – Т. 64. № 9-1. – c. 117
26. 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.
27. Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Авилов В.И. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. – № 4(117). – с. 8-13.
28. 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). – c. 166-171.
29. 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. – c. 4-8.
30. Полякова В.В., Коц И.Н., Смирнов В.А., Агеев О.А. НАНОРАЗМЕРНОЕ Профилирование поверхности кремния методом локального анодного окисления // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 2. – с. 90-96.
31. 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). – c. 133-140.
32. Polyakova V.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. A study of nanoscale profiling modes of a silicon surface via local anodic oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2018. Т. 13, № 1-2. – p. 84-89.
33. Shandyba N.A., Panchenko I.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Pelipenko M.I., Zamburg E.G., Chu Y.H. Size effect on memristive properties of nanocrystalline ZnO film for resistive synaptic devices // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – p. 081036.
34. Авилов В.И., Смирнов В.А., Шарапов Н.А. Размерный эффект в мемристорных наноструктурах на основе оксида титана для создания элементов систем искусственного интеллекта и синаптроники // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 2 (196). – c. 34-46.
2. Mohammed A. Zidan, John Paul Strachan and Wei D. Lu The future of electronics based on memristive systems // Nature Electronics. 2018. V. 1. – p. 22-29.
3. An Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and Applications // Solid-State Electronics. 2016, 125. – p. 25-38.
4. Смирнов В.А., Томинов Р.В., Авилов В.И., Алябьева Н.И., Вакулов З.Е., Замбург Е.Г., Хахулин Д.А., Агеев О.А. Исследование мемристорного эффекта в нанокристаллических пленках ZnO // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 1. – c. 77-82.
5. Tominov R.V., Zamburg E.G., Khakhulin D.A., Klimin V.S., Smirnov V.A., Chu Y.H., Ageev O.A. Investigation of resistive switching of ZnxTiyHfzOi nanocomposite for rram elements manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917.– p. 032023.
6. Khakhulin D.A., Vakulov Z.E., Smirnov V.A., Tominov R.V., Yoon J.G., Ageev O.A. Resistive switching in ZnO/ZnO:In nanocomposite // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917. – p. 092008.
7. Ильина М.В., Ильин О.И., Блинов Ю.Ф., Смирнов В.А., Агеев О.А. Неравномерная упругая деформация и мемристорный эффект в ориентированных углеродных нанотрубках // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 11. – с. 1726-1733.
8. Ageev O.A., Blinov Y.F., Ilina M.V., Ilin O.I., Smirnov V.A. Modeling and experimental study of resistive switching in vertically aligned carbon nanotubes // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Т. 741, № 1. – p. 012168.
9. Il'ina M.V., Il'in O.I., Blinov Y.F., Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Fedotov A.A., Konoplev B.G., Ageev O.A. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. 2017. Т. 123. – p. 514-524.
10. Ageev O.A., Ilin O.I., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A., Tsukanova O.G. Determination of the electrical resistivity of vertically aligned carbon nanotubes by scanning probe microscopy // Technical Physics. 2015. Т. 60, № 7. – p. 1044-1050.
11. Ageev O.A., Blinov Y.F., Il'ina M.V., Konoplev B.G., Smirnov V.A. Resistive switching of vertically aligned carbon nanotubes for advanced nanoelectronic devices // In book: Intelligent Nanomaterials: Second Edition. 2016. – p. 361-394.
12. Ageev O.A., Konoplev B.G., Rubashkina M.V., Rukomoikin A.V., Smirnov V.A., Solodovnik M.S. Studying the effect of geometric parameters of oriented GaAs nanowhiskers on Youngs modulus using atomic force microscopy // Nanotechnologies in Russia. 2013. Т. 8. № 1-2. – p. 23-28.
13. Агеев О.А. Смирнов В.А., Солодовник М.С., Рукомойкин А.В., Авилов В.И. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2012. – № 2(94). – с. 43-50.
14. 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. – p. 012001.
15. Смирнов В.А. Нанолитография элементов наноэлектроники на основе оксида титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 10 (183). –c. 27-40.
16. Смирнов В.А. Применение зондовой нанолитографии для формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления пленки титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 15-24.
17. 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.
18. Авилов В.И., Агеев О.А., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Формирование и исследование матрицы мемристоров на основе оксида титана методами зондовой нанотехнологии // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014. № 2(106). – c. 50-57.
19. Томинов Р.В., Смирнов В.А., Черненко Н.Е., Агеев О.А. Исследование режимов силовой зондовой нанолитографии // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12, № 11-12. – с. 69-75.
20. Смирнов В.А., Агеев О.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ЮФУ. Технические науки, 2005. – Т. 53. № 9. – с. 61.
21. 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. – c. 42-46.
22. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. 2008. №1(90). – с. 14–16.
23. Avilov V.I., Ageev O.A., Konoplev B.G., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Tsukanova O.G. Study of the phase composition of nanostructures produced by the local anodic oxidation of titanium films // Semiconductors. 2016. Т. 50. № 5. – p. 601-606.
24. Ageev O.A., Alyab'eva N.I., Konoplev B.G., Polyakov V.V., Smirnov V.A. Photoactivation of the processes of formation of nanostructures by local anodic oxidation of a titanium film // Semiconductors. 2010. Т. 44. № 13. – p. 1703-1708
25. 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. – Т. 64. № 9-1. – c. 117
26. 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.
27. Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Авилов В.И. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. – № 4(117). – с. 8-13.
28. 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). – c. 166-171.
29. 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. – c. 4-8.
30. Полякова В.В., Коц И.Н., Смирнов В.А., Агеев О.А. НАНОРАЗМЕРНОЕ Профилирование поверхности кремния методом локального анодного окисления // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 2. – с. 90-96.
31. 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). – c. 133-140.
32. Polyakova V.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. A study of nanoscale profiling modes of a silicon surface via local anodic oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2018. Т. 13, № 1-2. – p. 84-89.
33. Shandyba N.A., Panchenko I.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Pelipenko M.I., Zamburg E.G., Chu Y.H. Size effect on memristive properties of nanocrystalline ZnO film for resistive synaptic devices // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – p. 081036.
34. Авилов В.И., Смирнов В.А., Шарапов Н.А. Размерный эффект в мемристорных наноструктурах на основе оксида титана для создания элементов систем искусственного интеллекта и синаптроники // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 2 (196). – c. 34-46.
