МЕМРИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СЭНДВИЧ-СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ/ПОЛУПРОВОДНИК/МЕТАЛЛ НА ОСНОВЕ АНОДИРОВАННОГО ДИОКСИДА ТИТАНА
|
ЗАДАНИЕ 2
РЕФЕРАТ 3
ABSTRACT 4
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 МЕМРИСТОРЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1 Определение, понятие, история открытия 10
1.2 Принцип работы мемристора 14
1.3 Изготовление мемристоров: методы и материалы 22
1.4 Формирование самоупорядоченных нанотубулярных оксидных слоев .... 28
1.5 Характеристики существующих мемристоров 33
1.6 Применение 36
1.6. Выводы 40
2 СИНТЕЗ И АТТЕСТАЦИЯ СЭНДВИЧ СТРУКТУР Т1/Т1О2-НТ/МЕ 42
2.1 Анодирование металлического титана 42
2.2 Напыление металличеких контактов на диоксид титана 47
2.3 Аттестация изготовленных структур 48
2.3.1 Растровая электронная микроскопия 48
2.3.2 Оптическая микроскопия 52
2.3.3 Рентгенофазовый анализ 54
2.3.4 Спектроскопия комбинационного рассеяния 55
3 ПРОЦЕССЫ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В СЭНДВИЧ
СТРУКТУРАХ Т1/Т1О2-НТ/МЕ 57
3.1 Измерительный комплекс 57
3.2 Вольт-амперные характеристики 58
3.2.1 Влияние площади верхнего электрода 58
3.2.2 Варьирование толщины оксидного слоя 61
3.2.3 Влияние материала верхнего электрода 64
3.3 Имитация режимов многократного переключения 67
3.4 Безопасность жизнедеятельности 72
3.4.1 Характеристика рабочего места 72
3.4.2 Электробезопасность 72
3.4.3 Условия труда 73
3.5 Природопользование и охрана окружающей среды 74
3.5.1 Электромагнитное воздействие ПЭВМ 75
3.5.2 Акустическое воздействие 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 80
РЕФЕРАТ 3
ABSTRACT 4
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 МЕМРИСТОРЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1 Определение, понятие, история открытия 10
1.2 Принцип работы мемристора 14
1.3 Изготовление мемристоров: методы и материалы 22
1.4 Формирование самоупорядоченных нанотубулярных оксидных слоев .... 28
1.5 Характеристики существующих мемристоров 33
1.6 Применение 36
1.6. Выводы 40
2 СИНТЕЗ И АТТЕСТАЦИЯ СЭНДВИЧ СТРУКТУР Т1/Т1О2-НТ/МЕ 42
2.1 Анодирование металлического титана 42
2.2 Напыление металличеких контактов на диоксид титана 47
2.3 Аттестация изготовленных структур 48
2.3.1 Растровая электронная микроскопия 48
2.3.2 Оптическая микроскопия 52
2.3.3 Рентгенофазовый анализ 54
2.3.4 Спектроскопия комбинационного рассеяния 55
3 ПРОЦЕССЫ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В СЭНДВИЧ
СТРУКТУРАХ Т1/Т1О2-НТ/МЕ 57
3.1 Измерительный комплекс 57
3.2 Вольт-амперные характеристики 58
3.2.1 Влияние площади верхнего электрода 58
3.2.2 Варьирование толщины оксидного слоя 61
3.2.3 Влияние материала верхнего электрода 64
3.3 Имитация режимов многократного переключения 67
3.4 Безопасность жизнедеятельности 72
3.4.1 Характеристика рабочего места 72
3.4.2 Электробезопасность 72
3.4.3 Условия труда 73
3.5 Природопользование и охрана окружающей среды 74
3.5.1 Электромагнитное воздействие ПЭВМ 75
3.5.2 Акустическое воздействие 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 80
В настоящее время технология энергонезависимой flash-памяти вплотную приблизились к пределу масштабирования и сталкивается с серьезными фундаментальными и инженерными трудностями при размерах менее 22 нм [1]. Данные трудности определены самим принципом работы данного типа памяти - регистрации и переносе заряда. Вследствие этого крупнейшие электронные компании, такие как IBM, Samsung, Intel, Sharp, HP, Panasonic, Fujitsu и др. ведут активные работы в области разработки микросхем памяти с различными принципами записи и хранения информации. Одной из таких технологий является энергонезависимая резистивная память ReRAM (Resistive Random Access Memory).
В связи с этим большое внимание уделяется изучению процессов резистивного переключения в тонких слоях полупроводников и диэлектриков. В данном направлении активно исследуется диоксид титана в связи с изготовлением первого пассивного элемента мемристора на его основе в 2008 году. В слоистых структурах на основе TiO2 указанное мемристивное поведение обеспечивается кислородными вакансиями на границе металл-оксид. Известно, что толщина и дефектность оксидного слоя определяют отношение между электрическими сопротивлениями структуры в низко- (Rlrs) и высокоомном (Rhrs) состояниях, а значит и ее помехозащищенность. В свою очередь, материал и размер верхнего электрода также влияют на проявление свойств резистивного переключения. Мемристивный эффект проявляется не только в сплошных оксидных слоях, но и в упорядоченных массивах нанотрубок диоксида титана, которые получаются путем электрохимического окисления титана при различных условиях.
Таким образом, целью данной выпускной квалификационной работы является исследование влияния толщины оксидного слоя, материала электрода и его площади на процессы резистивного переключения сэндвич-структур Н/ТЮ2/Ме на основе нанотубулярного диоксида титана.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• ознакомиться с литературными данными более ранних исследований;
• синтезировать структуру Т1/Т1О2/Ме;
• исследовать методами растровой электронной и оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопией комбинационного рассеяния;
• провести измерения вольт-амперных характеристик.
В связи с этим большое внимание уделяется изучению процессов резистивного переключения в тонких слоях полупроводников и диэлектриков. В данном направлении активно исследуется диоксид титана в связи с изготовлением первого пассивного элемента мемристора на его основе в 2008 году. В слоистых структурах на основе TiO2 указанное мемристивное поведение обеспечивается кислородными вакансиями на границе металл-оксид. Известно, что толщина и дефектность оксидного слоя определяют отношение между электрическими сопротивлениями структуры в низко- (Rlrs) и высокоомном (Rhrs) состояниях, а значит и ее помехозащищенность. В свою очередь, материал и размер верхнего электрода также влияют на проявление свойств резистивного переключения. Мемристивный эффект проявляется не только в сплошных оксидных слоях, но и в упорядоченных массивах нанотрубок диоксида титана, которые получаются путем электрохимического окисления титана при различных условиях.
Таким образом, целью данной выпускной квалификационной работы является исследование влияния толщины оксидного слоя, материала электрода и его площади на процессы резистивного переключения сэндвич-структур Н/ТЮ2/Ме на основе нанотубулярного диоксида титана.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• ознакомиться с литературными данными более ранних исследований;
• синтезировать структуру Т1/Т1О2/Ме;
• исследовать методами растровой электронной и оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопией комбинационного рассеяния;
• провести измерения вольт-амперных характеристик.
По результатам выполнения выпускной квалификационной работы можно сделать следующие выводы.
1. Написан литературный обзор по мемристорам на основе оксидов металлов. Показано, что в настоящее время имеется достаточное количество теоретических и экспериментальных данных по исследуемой тематике. Описаны свойства, принципы работы, способы изготовления мемристоров с использованием различных методов и материалов. Рассмотрены процессы формирования самоупорядоченных нанотубулярных оксидных слоев на основе диоксида титана, в качестве функциональной среды элементов мемристивной памяти. Описаны характеристики существующих мемристоров с момента их экспериментального открытия и по настоящее время, а также продемонстрированы области их применения.
2. Проведен синтез нанотубулярных массивов TiG2-HT на поверхности титановой фольги методом электрохимического оксидирования во фтор содержащем растворе при варьировании напряжения от 5 до 120 В. Показано, что толщина полученных слоев изменяется от 60 до 500 нм, а диаметр нанотрубок от 30 до 60 нм при варьировании параметров процесса анодирования (режим, напряжение, время, тип электролита). Выполнена аттестация полученных образцов методами растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопией комбинационного рассеяния. Подтверждено получение самоупорядоченной нанотубулярной аморфной структуры диоксида титана в следствии анодирования титановой фольги.
3. Масочным методом синтезированы сэндвич-структуры Ti/TiO2-HT/Au и Ti/TiO2-HT/Ag с диаметрами мемристивных элементов ~ 100 мкм и ~ 5,5 мм. Проведена аттестация полученных образцов методами растровой электронной и оптической микроскопии.
4. Исследовано влияние материала верхнего электрода на резистивное переключение сфабрикованных сэндвич-структур. Анализ экспериментальных ВАХ показал, что использование серебра вместо золота приводит к «схлопыванию» ВАХ до ВАХ омического контакта и уменьшению тока электроформирования в « 50 раз. Показаны преимущества использования Лп в качестве материала верхнего электрода.
5. Исследованы ВАХ сэндвич-структуры Т1/ТЮ2-НТ/Ли с диаметром мемристивных элементов 5,5 мм в полных циклах резистивного переключения и в процессах, симулирующих многократное считывание информации. Приведены прямые экспериментальные доказательства биполярного резистивного переключения исследованной структуры. Определены значения сопротивлений в низко- (Вгкз - 3 Ом) и высокоомном (Кнлз - 180 Ом) состояниях. Сделано заключение, что высокое соотношение Кжз/Иькз -58 может повысить устойчивость к электромагнитным помехам при функционировании перспективных мемристорных устройств на основе массивов нанотрубок диоксида титана.
6. Для сэндвич-структуры Т1/Т1О2/Лп с диаметром мемристоров 100 мкм оценено влияние толщины оксидного слоя в диапазоне й = 80 - 200 нм на соотношение сопротивлений структуры в низко- и высокоомном состоянии. Продемонстрировано, что наибольшее отношение Книв/Вглв - 150 при количестве циклов записи ВАХ п « 20 получены для оксида с й =160 нм. Выявлено, что при уменьшении й в исследованном диапазоне ток электроформирования структуры изменяется от 10 мА до 10 мкА.
7. Для сэндвич-структуры Т1/Т1О2/Лп с диаметром мемристоров 100 мкм выполнены измерения в режиме имитации многократного переключения. Показана работоспособность мемристорной структуры на протяжении 17 тыс. циклов переключения при изменении соотношения сопротивлений Кжз/Иькз от «40 до «8. Показано, что увеличение тока электроформирования в диапазоне 1э = 10 - 30 мкА приводит к снижению отношения Кжз/Иькз в интервале 8,2 - 1,4 раз.. Определено оптимальное значение тока 1э = 10 мкА.
Таким образом, цель данной выпускной квалификационной работы достигнута, а все поставленные задачи решены.
1. Написан литературный обзор по мемристорам на основе оксидов металлов. Показано, что в настоящее время имеется достаточное количество теоретических и экспериментальных данных по исследуемой тематике. Описаны свойства, принципы работы, способы изготовления мемристоров с использованием различных методов и материалов. Рассмотрены процессы формирования самоупорядоченных нанотубулярных оксидных слоев на основе диоксида титана, в качестве функциональной среды элементов мемристивной памяти. Описаны характеристики существующих мемристоров с момента их экспериментального открытия и по настоящее время, а также продемонстрированы области их применения.
2. Проведен синтез нанотубулярных массивов TiG2-HT на поверхности титановой фольги методом электрохимического оксидирования во фтор содержащем растворе при варьировании напряжения от 5 до 120 В. Показано, что толщина полученных слоев изменяется от 60 до 500 нм, а диаметр нанотрубок от 30 до 60 нм при варьировании параметров процесса анодирования (режим, напряжение, время, тип электролита). Выполнена аттестация полученных образцов методами растровой электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопией комбинационного рассеяния. Подтверждено получение самоупорядоченной нанотубулярной аморфной структуры диоксида титана в следствии анодирования титановой фольги.
3. Масочным методом синтезированы сэндвич-структуры Ti/TiO2-HT/Au и Ti/TiO2-HT/Ag с диаметрами мемристивных элементов ~ 100 мкм и ~ 5,5 мм. Проведена аттестация полученных образцов методами растровой электронной и оптической микроскопии.
4. Исследовано влияние материала верхнего электрода на резистивное переключение сфабрикованных сэндвич-структур. Анализ экспериментальных ВАХ показал, что использование серебра вместо золота приводит к «схлопыванию» ВАХ до ВАХ омического контакта и уменьшению тока электроформирования в « 50 раз. Показаны преимущества использования Лп в качестве материала верхнего электрода.
5. Исследованы ВАХ сэндвич-структуры Т1/ТЮ2-НТ/Ли с диаметром мемристивных элементов 5,5 мм в полных циклах резистивного переключения и в процессах, симулирующих многократное считывание информации. Приведены прямые экспериментальные доказательства биполярного резистивного переключения исследованной структуры. Определены значения сопротивлений в низко- (Вгкз - 3 Ом) и высокоомном (Кнлз - 180 Ом) состояниях. Сделано заключение, что высокое соотношение Кжз/Иькз -58 может повысить устойчивость к электромагнитным помехам при функционировании перспективных мемристорных устройств на основе массивов нанотрубок диоксида титана.
6. Для сэндвич-структуры Т1/Т1О2/Лп с диаметром мемристоров 100 мкм оценено влияние толщины оксидного слоя в диапазоне й = 80 - 200 нм на соотношение сопротивлений структуры в низко- и высокоомном состоянии. Продемонстрировано, что наибольшее отношение Книв/Вглв - 150 при количестве циклов записи ВАХ п « 20 получены для оксида с й =160 нм. Выявлено, что при уменьшении й в исследованном диапазоне ток электроформирования структуры изменяется от 10 мА до 10 мкА.
7. Для сэндвич-структуры Т1/Т1О2/Лп с диаметром мемристоров 100 мкм выполнены измерения в режиме имитации многократного переключения. Показана работоспособность мемристорной структуры на протяжении 17 тыс. циклов переключения при изменении соотношения сопротивлений Кжз/Иькз от «40 до «8. Показано, что увеличение тока электроформирования в диапазоне 1э = 10 - 30 мкА приводит к снижению отношения Кжз/Иькз в интервале 8,2 - 1,4 раз.. Определено оптимальное значение тока 1э = 10 мкА.
Таким образом, цель данной выпускной квалификационной работы достигнута, а все поставленные задачи решены.
МЕМРИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СЭНДВИЧ-СТРУКТУРЕ МЕТАЛЛ/ПОЛУПРОВОДНИК/МЕТАЛЛ НА ОСНОВЕ АНОДИРОВАННОГО ДИОКСИДА ТИТАНА
