Круглов Александр Валерьевич
Четыре основные переменные электрических цепей: ток I, напряжение V, заряд q и магнитный поток φ
d φ = M · d q d φ = V · d t d q = I · d t V = M ( q )· I Более четверти века мемристор оставался гипотетическим элементом цепи, не имеющим материальной реализации.
По величине удельной электропроводности все твердые тела можно разделить на три большие группы: металлы, диэлектрики и полупроводники. Уровень Ферми – наибольшая энергия, которую имеет электрон в твердом теле при температуре абсолютного нуля.
Энергетический спектр электрона в изолированном атоме представляет собой ряд узких линий, разделенных запрещенными промежутками. При объединении атомов в кристалл энергетические уровни «расщепляется» на зоны. Промежутки между энергетическими зонами называются запрещенными зонами, поскольку электрон не может иметь соответствующую энергию. Основы физики твердых тел
Основы физики твердых тел
Основы физики твердых тел
2008 год, компания Hewlett Packard, Стэнли Уильямс μ v - средняя подвижность ионов Учитывая R ON << R OFF Структура рутила
Мемристор – тонкопленочный конденсатор, способный изменять проводимость функционального изолирующего слоя (диэлектрика, полупроводника) под действием приложенного напряжения и сохранять это состояние длительное время при отключении напряжения. Резистивное переключение – обратимое бистабильное ( мультистабильное ) изменение электропроводности изолирующего переключающегося слоя под действием внешнего электрического поля. Состояния сопротивления: - состояние с высоким сопротивлением (СВС, англ. H igh R esistance S tate, HRS или состояние OFF ) состояние с низким сопротивлением (СНС, англ. L ow R esistance S tate, LRS или состояние ON ) набор промежуточных резистивных состояний (англ. I intermediate R esistance S tate s, I RS s ).
Униполярная и биполярная ВАХ мемристора Процессы резистивного переключения: - процесс SET (включение): изменения сопротивление устройства с HRS на LRS - процесс RESET (выключение): изменение сопротивления с LRS на HRS
Рабочие (управляющие) напряжения: V F – напряжение электроформинга ; V SET ( V ON ) – напряжение записи; V RESET ( V OFF ) – напряжение стирания; V R – напряжение считывания.
Параметры мемристров как элементов памяти Параметр Условное обозначение Требуемый для RRAM Напряжение формовки V F – Напряжение переключения SET (напряжение записи), В V SET ( V ON ) 1– 1,5 Напряжение переключения RESET (напряжение стирания), В V RESET ( V OFF ) 1– 1,5 Ток в состоянии ON при амплитуде напряжения чуть выше V SET, А I LRS ( I ON ) < 10 -5 Напряжение считывания, В V R 0,1–0,5 Добротность (отношение сопротивлений) R HRS /R LRS ( R OFF / R ON ) >1000 Время записи (длительность самого короткого электрического импульса, способного изменить резистивное состояние), нс (англ. Write Speed) t <10 Выносливость (количество циклов переключения до того момента, пока уменьшение добротности позволяет различать состояния сопротивления) (англ. Endurance) N >10 12
Параметр Условное обозначение Требуемый для RRAM Время хранения (длительность времени, в течение которого поддерживается резистивное состояние без подачи напряжения на ячейку памяти), лет (англ. Retention Time ) T >10 Мощность переключения (мощность, необходимая для изменения резистивного состояния ячейки памяти), Вт (англ. Operation Energy per Bit) W <10 -9 Масштабируемость (размер, до которого ячейка может быть уменьшена до того, как она столкнется физическими ограничениями), нм (англ. Scalability) S <10 Штабелируемость (возможность наложения несколько слоев ячеек памяти друг на друга с помощью технологии изготовления) (англ. Stackability) + Многоуровневое хранилище (возможность хранить более одного бита информации в одной ячейке) (англ. Multilevel Storage) +
Электроформинг – процесс первоначального перевода структуры из исходного состояния с высоким сопротивлением ( IHRS ) в состояние с низким сопротивлением ( LRS ). При проведении электроформинга, а также впоследствии в процессе SET обычно используется ограничение тока (англ. current compliance, CC ), чтобы избежать мгновенного разрушения резистивного слоя.
Характеристики мемристров
изменение интерфейсного сопротивления на границе раздела контакт – матрица непрерывная проводящая нить в матрице между контактами - дискретный канал с прыжковой проводимостью
Электроформинг – процесс прорастания проводящей нити ( филамента ) через изолирующий слой мемристорной структуры. Н апряжение электроформинга V F зависит от толщины изолирующего слоя: это показывает, что во время электроформинга скорость образования проводящего филамента определяется миграцией дефектов в электрическом поле через всю толщину изолирующего слоя.
- Механизм электрохимической металлизации ( conductive bridge random access memory, CBRAM ). Изолирующие материалы: (1) твердые электролиты, в том числе халькогениды Ag 2 S, Cu 2 S, Zn x Cd 1−x S, GeS, GeSe, GeTe, галогениды AgI, RbAg 4 I 5 и др.; (2) оксиды, действующие как твердые электролиты, например, Ta 2 O 5, Sb 2 O 5, SiO 2, ZrO 2, HfO 2, Al 2 O 3, WO 3, MoO x, ZrO x, SrTiO 3, TiO 2, CuO x, ZnO, AlO x, NiO x, CoO x, GeO x и др.; Активный электрод: Cu, Ag. Сообщалось также об использовании других металлов, таких как Ni, Co, Al, Ti, Zn, Nb, Au, Ta и V. Инертный электрод: Pt, Au, W или Ir. - Механизм изменения валентности ( V alence C hange R andom A ccess M emory, VCRAM, Oxide-based Resistive Random A ccess M emory ( OxRRAM ). Изолирующие материалы: (1) большинство бинарных оксидов металлов (M e O x ), в том числе AgO x, MgO, TiO x, ZrO x, HfO x, VO x, NbO x, CeO x, TaO x, CrO x, WO x, MnO x, FeO x, CoO x, NiO x, AlO x, CuO x, ZnO x, GeO x, SnO x, BiO x, SbO x, DyO x, NdO x, ErO x, InO x, GdO x, TbO x, HoO x, IrO x, TmO x, LuO x, YbO x, YO x, ReO x,; (2) некоторые сложные оксиды металлов, включая SrTiO 3, Li x Zn 1− x O, NbAlO, ZnLaO, InGaZnO, Cu x Si y O, HfAlO, GaZnO, FeZnO, ZrTiO x, ZnFe 2 O 4, Zn 2 SnO 4, YBa 2 Cu 3 O 7− x и ( Ta x Nb 1− x ) 2 O 5 ; Электроды: Au, Pt, W, Al, Ti, Ni, Cr, Mo, Co, Ru, Ir и их сплавы, включая ZrN x, WN x и TiN, а так же некоторые полупроводники, такие как легированный кремний и ITO.
Электроформинг (или процесс SET ): реакция окисления активного электрода: миграция катионов в сторону инертного электрода под действием приложенного электрического поля реакция восстановления катионов на границе раздела инертный электрод / твердый электролит процесс нуклеации (зарождения) и роста нитевидного филамента
ZnO / Cu
Ag / ZnO:Mn / Pt
Электроформинг (или процесс SET ): образование пары ион кислорода – вакансия кислорода внутри изолирующего слоя: миграция ионов кислорода к аноду, а кислородных вакансий – к катоду реакция окисления ионов кислорода на аноде: рост филамента из вакансий кислорода от катода к аноду
Серия in - situ ПЭМ изображений, показывающая динамику образования филамента в структуре Pt / ZnO / Pt. (а) ZnO в исходном состоянии. (б) При подаче напряжения контраст ZnO усиливался вблизи обоих электродов. (в) Филамент конической формы образуется вблизи верхнего электрода ( TE ). (г) Филамент трансформируется в дендритную форму, но он все еще не соединен с нижним электродом ( BE ). ( д ) Столбчатый филамент проходит через пленку ZnO, соединяя верхний и нижний электроды. В этот момент ток через структуру резко возрастает, образец переходит в состояние с низким сопротивлением.
Серия in - situ ПЭМ изображений, показывающая динамику разрыва филамента в структуре Pt / ZnO / Pt. (а) ZnO в исходном состоянии. (а) Начало разрыва филамента. (б) Промежуточная стадия. (в) Конечное состояние разорвавшегося филамента после процесса RESET.
