| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
«Наноматериалы и нанотехнологии для мемристорной памяти»
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
Инженерная Академия
Кафедра «Кибернетики и мехатроники»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему
«Наноматериалы и нанотехнологии в мемристорной памяти»
222900 Нанотехнологии и микросистемная техника
Выполнила
Студентка группы ИФМ-101
Студенческий билет № 1032163611
_________________Шилкина М.М.
«__»_____________________2017 г.
Руководитель
доцент
______________Лапшинский В. А.
Москва 2017
Аннотация
В этой работе рассказывается о мемристорной памяти, а также о нанотехнологии и наноматериалах, которые применяются в мемристорной памяти. Такие объекты имеют непосредственное отношение к наноинженерии, в частности, к компьютерам. В приложении содержатся дополнительные рисунки и информация, а также небольшой теоретический тест.
В работе: рисунков 14, страниц 23, источников 16.
Глоссарий терминологии, сокращения и обозначения
Мемристоры – это двухполюсные устройства, электрическое сопротивление которых изменяется от протекшего через него заряда.
Мемристивный эффект - это эффект, который образуется в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при наложении электрического поля.
МДМ - металл-диэлектрик-металл.
HRS – высокоомное состояние структуры вещества (high resistance state).
LRS - низкоомное состояние структуры вещества (low resistance state).
Формовка - это процесс получения формы для литья металлов, а формовочная масса служит материалом для этой формы.
IRS - состояния с промежуточным значением сопротивления ( intermediate resistance state).
Филаментарный механизм – это локальный механизм резистивного переключения.
Филаменты – это локально проводящие каналы.
ВАХ ( Вольт-амперная характеристика) - это зависимость тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном токе.
КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) — набор полупроводниковых технологий построения интегральных микросхем и соответствующая ей схемотехника микросхем. Подавляющее большинство современных цифровых микросхем — КМОП.
ФЭ - функциональный элемент.
Содержание
Введение……………………………………………………………………...…………………..5
1.История создания мемристоров………………………………………………………………6
2.Наноматериалы для мемристорной памяти…………………………………….……………7
3.Физические принципы мемристоров на основе оксидов металлов……………….…….....8
3.1Применение оксидов металлов в качестве функциональной среды резистивного переключения для создания мемристоров………………………………………….………….9
3.2 Зависимость сопротивления мемристора от площади структуры…………………....10
3.3 Эффект резистивного переключения в многокомпонентных оксидах переходных металлов…………………………………………………………………………………………12
4.Изготовление мемристора………………………………………………………...………....15
4.1Мемристор в гибридных аналогово-цифровых схемах…………………...………...…15
4.2 Модель мемристора……………………………………………………………………...16
4.3 Методы и параметры изготовления слоев мемристоров………………………….......16
5.Что удалось сделать благодаря мемристивной памяти …………………………………...19
Заключение…………………………………………………………………………………...…21
Список используемой литературы………………………………………………………..…..22
ВВЕДЕНИЕ
Развитие микро- и наноэлектроники во многом связано с динамичным ростом нынешних информационных технологий, которые нуждаются в разработки все более емких и быстродействующих устройств, которые нужны для записи и хранения информации с возможностью перезаписи и энергонезависимости. Новые перспективы в создании компьютерных систем открывает использование аналоговой архитектуры искусственных нейронных сетей, позволяющих оптимизировать принцип обработки команд по сравнению с цифровым принципом, глобально используемым в классическом компьютере. Основу предлагаемых нейроморфных систем составляют мемристоры – это двухполюсные устройства, электрическое сопротивление которых изменяется от протекшего через него заряда. Электрические характеристики мемристора определяются предысторией его функционирования, что похоже на свойства синапса биологических нейронных систем. Ключевые факторы эффективности подобных систем – высокая связность нейронов, что позволяет в значительной мере распараллелить выполнение операций, и адаптируемость весов синапсов, которая лежит в основе функционирования и обучаемости биологических и искусственных нейронных систем. В конечном итоге, применение мемристоров в качестве синапсов нейроморфных систем обещает повысить вычислительную эффективность подобных систем благодаря увеличению плотности логических элементов и связности системы. [1]
Рис.1 Мемристор
1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ МЕМРИСТОРОВ
Теория о мемристорах была сформулирована в 1971 году американским профессором Леоном Чуа. Леон Чуа родился в 1936-м, как Цай Шаотан на Филиппинских островах в среде этнических китайцев, выросший там же в условиях японской оккупации, на рубеже 1950-60-х годов он смог переехать в США, где под новым именем Леон Чуа стал очень известным и авторитетным ученым, профессором Калифорнийского университета в Беркли. [2] Он установил отношения между интегралами по времени силы тока, который протекает через элемент, и напряжением на нём. Продолжительное время мемристор считался теоретическим объектом, который невозможно создать. Однако лабораторный образец запоминающего элемента, демонстрирующего некоторые свойства мемристора, был придуман в 2008 году коллективом учёных во главе с Р. С. Уильямсом в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard.[3] В отличие от теоретической модели, полученное устройство не накапливает заряд, как конденсатор, и отсутствует поддержка магнитного потока, как катушка индуктивности. Работа устройства (изменение его свойства) обеспечивается за счет химических превращений в тонкой (5 нм) двухслойной плёнке диоксида титана. Один из слоев пленки немного обеднен кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под воздействием приложенного к устройству электрического напряжения. Данную реализацию мемристора следует отнести к классу наноионных устройств. Мемристор возможно использовать, как ячейку памяти, из-за наблюдающегося в нем гистерезиса. Гипотетически мемристоры могут заменить транзисторы в некоторых случаях. А теоретически, мемристорные запоминающие элементы могут быть более плотными и быстрыми, чем современная флэш-память. Также блоки из них могут заменить ОЗУ. Умение мемристоров «запоминать» заряд позволит в дальнейшем отказаться от загрузки системы компьютера: в памяти компьютера, отключённого от питания, будет храниться его последнее состояние. При поддержке со стороны программного обеспечения компьютер можно будет включить и начать работу с того места, на котором она была остановлена при выключении. По заявлениям Hynix и Hewlett-Packard, технология готова к производству. Изначально сообщалось, что накопители на базе мемристоров выйдут в 2013 году [4], но затем выпуск был перенесён на 2014 год [5]. В 2014 году HP опубликовала проект суперкомпьютера The Machine, в котором планируется использовать волоконно-оптические линии связи и память на базе мемристоров. [6] Рабочий прототип устройства был презентован в конце 2016 года, коммерческое производство данной технологии ожидается к 2018 или 2019 году. [7]
2. НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕМРИСТОРНОЙ ПАМЯТИ
Материалы и их свойства оказывают большое влияние на функциональность устройств нанометрового масштаба. Благодаря возможности применять различные материалы, можно добиться различных свойств этих материалов. [8]
Впервые эффект мемристивности был экспериментально продемонстрирован в 2008 г. для системы металл-диэлектрик-металл Pt-TiO2-TinO2n-1-Pt [9]. Доказано, что мемристивный эффект образуется в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при наложении электрического поля, к примеру, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана. В последние время был представлен ряд альтернативных материалов, которые можно использовать, как активный слой мемристора. Эффект мемристивности был продемонстрирован в системе нанопора-ионный раствор, в устройствах на основе токопроводящих полимеров и протеиновых молекул, ансамблей наночастиц, в частности, наночастиц монокристаллического магнетита (Fe3O4). Тем не менее, мемристоры на основе подобных материалов формируются такими методами, которые нехарактерны для нынешней кремниевой технологии создания интегральных схем. Естественно, что применение таких материалов в качестве активного слоя мемристора значительно усложняет интеграцию мемристоров в современное производство. Вследствие этого, как основу мемристорных электронных устройств чаще всего используют структуры металл-диэлектрик-металл, которые легко интегрируются в кремниевую технологию. Как и в первом мемристоре, в качестве диэлектрического слоя то и дело используется оксид титана TiO2-TinO(2n-1) толщиной 5-40 нм, а еще другие оксиды металлов: ZrO2-ZrO2-x, HfO2-HfO2-x, TiaZrbHfcO2- (TidZreHff)nO(2n-1), VO2-VnO(2n-1), VaNbbTacO2-(VdNbeTaf)nO(2n-1), Nb2O5- NbO2, Ta2O5-TaO2, MoO3-MonO(3n-1), WO3-WnO(3n-1), CraMobWcO3- (CrdMoeWf)nO(3n-1), Fe2O3-Fe3O4, Ni2O3-Ni3O4, Co2O3-Co3O4. Одним из подходов усовершенствования функциональных свойств мемристоров на основе оксидов переходных металлов (TiO2, HfO2, ZrO2) является легирование оксидов трехвалентной примесью, к примеру, Al. Известны некоторые теоретические и практические работы, в которых рассмотрено, что при добавление Al в ZrO2, происходит процесс, который приводит к снижению энергии образования кислородных вакансий, движение которых в электрическом поле дает в конечном итоге мемристивный эффект структуры, в ~1.7 раз [10]. Имеются экспериментальные исследования, которые показали улучшение мемристивных характеристик структур на основе трехкомпонентных оксидов металлов HfAlOx и TiAlOx по сравнению с классическими системами TiO2-TinO(2n-1), HfO2-HfO2-х.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МЕРИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
Обратимый эффект изменения проводимости мемристора называют эффектом резистивного переключения. В качестве мемристоров и других структур с эффектом резистивного переключения зачастую применяют структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ). Эффект резистивного переключения МДМ-структуры состоит в изменении проводимости диэлектрика на величины до нескольких порядков под воздействием электрического поля, которое создается в диэлектрике (рис.2).
насыщенный кислородом
("окисленный") оксид обедненный кислородом
(восстановленный) оксид
Рис. 2. Иллюстрация процесса окисления/восстановления в TiO2, который приводит к резким изменениям проводимости МДМ- структуры
Существует несколько общепринятых механизмов резистивного переключения и, соответственно, типов мемристоров. В данной курсовой работе будет рассмотрен самый распространенный тип мемристора, резистивный эффект в котором обусловлен реакцией восстановления/окисления (reduction/oxidation) оксида, который используется в качестве диэлектрика МДМ-структуры мемристора. Реакции восстановления/окисления оксида сопутствует дрейф ионов кислорода и, соответственно, вакансий кислорода по глубине слоя оксида. Вакансии кислорода это ловушки для электронов, за счет которых происходит перенос заряда от одного металлического электрода к другому [7]. В зависимости от концентрации вакансий кислорода и их распределения в оксиде МДМ-структура может находиться в высокоомном (high resistance state– HRS) или низкоомном состоянии (low resistance state – LRS). Чтобы достичь стабильного эффекта резистивного переключения, нужно уметь контролировать концентрацию вакансий кислорода в оксидном слое.
3.1. Применение оксидов металлов в качестве функциональной среды резистивного переключения для создания мемристоров
К настоящему моменту на таких оксидах переходных металлов, как HfO2, ZrO2, TiO2, Ta2O5, NiO продемонстрирован эффект обратимого резистивного переключения, который заключается в изменении проводимости диэлектрика на величины до нескольких порядков. При приложении напряжения определенной амплитуды (однополярное переключение), а в некоторых случаях при определенной амплитуде, но при условии изменении полярности напряжения (биполярное переключение) (рис.3).
Рис.3 – (a) Схема структуры ячейки памяти металл-изолятор-металл и вольт-амперные характеристики: (b) униполярная и © биполярная
Так, на рисунке 2 схематично продемонстрирован процесс окисления–восстановления (oxidation-reduction) в МДМ-структуре Pt/TiO2/Pt. В течении первоначального приложения напряжения, в процессе так называемой «формовки» (рис. 4), диэлектрик делится на два слоя, которые определяются генерацией O2- анионов и кислородных вакансий Vo++. Положительно заряженные кислородные вакансии Vo++ дрейфуют к отрицательно заряженному электроду, восстанавливая слой TiO2 до TiO2х-1, уменьшая его сопротивление. Граница между изолирующим слоем TiO2 и проводящим слоем TiO2х-1 (виртуальный катод) движется влево, пока не достигнет левого, положительно заряженного электрода, значительно уменьшив при этом сопротивление МДМ-структуры. В литературе этот процесс обозначается как SET (включение). Отсюда следует, что при данной полярности приложенного напряжения МДМ-структура находится в состоянии с низким сопротивлением (LRS — low resistance state).
Рис 4. Вольтамперная характеристика экспериментального образца мемристора на основе структуры Pt/TiO2/TiOx/Pt, полученная в результате процесса “формовки” [15]
Приложение напряжения обратной полярности будет приводить к обратной ситуации, то есть структура будет переходить в состояние с высоким сопротивлением (HRS — high resistance state). Этот процесс называют RESET (выключение). Также могут существовать состояния с промежуточным значением сопротивления (IRS — intermediate resistance state). Такой тип переключения называется биполярным, то есть для переключения необходимо изменение полярности прикладываемого напряжения. Описанный выше процесс резистивного переключения в оксидах переходных металлов получил название механизма изменения валентности или механизма окисления-восстановления. [11]
3.2. Зависимость сопротивления мемристора от площади структуры
Уже достаточно давно известно, что есть мемристоры, у которых сопротивление зависит от площади металлических электродов мемристорной структуры. В ряде работ [12] по резистивному переключению для разных оксидов переходных металлов была исследована зависимость сопротивлений МДМ-структур в состоянии «ON» (RLRS) и в состоянии «OFF» (RHRS) от площади электродов. На рисунке 5 такие зависимости приведены для структур на основе SrTiO3, легированного Nb (Nb:STO) и NiO. Из рисунка видно, что сопротивления RLRS и RHRS для структуры на основе Nb:STO обратно пропорциональны площади структуры, в то время как RLRS и RHRS для ячейки на основе NiO практически не зависят от площади структуры. Данные результаты показывают, что резистивное переключение в Nb: SrTiO3 происходит на всей площади структуры, в то время как в NiO ячейке переключение происходит локально через образование нитеобразных проводящих каналов [12]. Локальный механизм резистивного переключения в литературе принято называть филаментарным (от английского слова filament–нить).
Рис. 5 Зависимость сопротивлений в состояниях LRS и HRS, от площади электродов для ячеек памяти на основе SrTiO3,
легированного Nb (Nb:STO) и NiO [12]
Наличие экспериментальных данных, подтверждающих локальность резистивного переключения, стимулировало в научном сообществе в дополнение к механизму изменения валентности материала диэлектрика по всей площади структуры (рис. 6), разработку модели переключения на основе образования локальных проводящих каналов (филаментов). Так, принимая во внимание важность генерации кислородных вакансий для процессов резистивного переключения, была предложена модель резистивного переключения, объясняющая, в том числе, и возможность получения целого набора промежуточных сопротивлений МДМ-структуры в зависимости от прикладываемого к ней напряжения (собственно мемристивный эффект) (рис. 6).
Рис. 6 Филаментарная модель резистивного переключения, учитывающая состояния низкого сопротивления (LRS), промежуточных сопротивлений (IR) и высокого сопротивления (HRS). Черными точками схематично показаны вакансии кислорода [13]
Состояние с самым низким сопротивлением LRS объясняется наличием проводящих филаментов с самой высокой плотностью кислородных вакансий. Для реализации процессов переключения структуры в состояния с более высокими сопротивлениями (RESET процессов) важны физические процессы изменения приграничной структуры филаментов. Также они считают, что RESET процессы связаны с процессами анодного обратного окисления области филамента вблизи границы раздела с верхним электродом (Pt). Действительно, приложение нарастающего положительного потенциала к Pt активирует нарастающий дрейф вакансий кислорода от анода вглубь материала. В результате становится возможным получить набор различных сопротивлений (IR1…IR3) благодаря постепенному изменению плотности кислородных вакансий, действующих как легирующая примесь в изолирующем слое толщиной δ.
3.3. Эффект резистивного переключения в многокомпонентных оксидах переходных металлов
Одним из механизмов управления концентрацией вакансий кислорода на этапе изготовления мемристора является легирования оксида металла со степенью окисления +4 ионами металла со степенью окисления +3. Известно, что при легировании ZrO2 примесью Al+3 энергия образования вакансий кислорода снижается примерно в 1.7 раза. В силу близости структурных и электронных свойств оксидов циркония и гафния подобный способ управления концентрацией вакансий кислорода возможен и в оксиде гафния HfO2. Оксид гафния наиболее удобен с точки зрения внедрения в производство, так как материал на его основе используется в современной технологии в качестве подзатворного диэлектрика. Дополнительным источником вакансий кислорода может являться один из электродов мемристора, например, электрод из нитрида титана TiN, который является эффективным резервуаром кислорода и, соответственно, источником вакансий кислорода. Сочетание двух подходов – легирования оксидного слоя и использование электрода из активного по отношению к кислороду материала – должно стать эффективным средством контролирования концентрации вакансий кислорода в оксидном слое и достижения стабильного эффекта резистивного переключения мемристора. Для обеспечения долговременной стабильности и надежности мемристора необходимо обеспечить пространственное ограничение областей, где происходит зарождение и перемещение вакансий кислорода. Достижение этой цели возможно при изменении концентрации примеси Al по глубине оксида. В данной работе будет изготовлен мемристор, на тонкой пленке трехкомпонентного оксида HfxAl1-xOy с переменным (по глубине) содержанием Al, а также будут исследованы его электрофизические характеристики. Вольт-амперная характеристика полного цикла резистивного переключения МДМ-структуры Pt/HfxAl1-xOy/TiN представлена на рис. 7a.
а
б
Рис.7 – Вольт-амперная характеристика мемристора Pt/HfxAl1-xOy/TiN: a) полного цикла резистивного переключения с формовкой, б) с набором сопротивлений
На прямой ветви ВАХ скачкообразный этап включения соответствует процессу «мягкого» (обратимого) пробоя диэлектрической пленки HfxAl1-xOy в слое, прилегающему к TiN электроду (см. рис. 8). В данном слое содержание Al наибольшее и, соответственно, наименьшая диэлектрическая проницаемость и одновременно наибольшее количество вакансий кислорода, поэтому вероятность «мягкого» пробоя наиболее велика. «Мягкий» пробой приводит к образованию токопроводящего канала, состоящего из вакансий кислорода, в соответствующем слое диэлектрика HfxAl1-xOy (см. рис. 7). Плавный этап включения соответствует процессу расширения токопроводящего канала в соответствии с профилем содержания Al в оксидном слое HfxAl1-xOy за счет диффузии кислорода к слою TiN и формированию на границе раздела TiN/HfxAl1-xOy слоя TiON некоторой толщины. Это приводит к частичному восстановлению оксида HfxAl1- xOy, сопровождающемуся генерацией и диффузией вакансий кислорода в оксидном слое. При этом структура имеет ряд промежуточных сопротивлений (IRS). Минимальное сопротивление мемристора, при котором концентрация вакансий в канале максимально, соответствует LRS. (рис. 8). Положительно заряженные вакансии кислорода, расположенные в диэлектрическом слое, являются ловушками для электронов, поэтому механизм токопереноса в канале, образованно вакансиями кислорода, связан с туннелированием электронов через ловушки.
Рис. 8 – Схема процессов резистивного переключения в МДМ- структуре мемристора Pt/HfxAl1-xOy/TiN
В отличие от большинства активных по отношению к кислороду металлов (таких как Ti, Zr) нитрид титана TiN способен обратимым образом поглощать и высвобождать ионы кислороды, поэтому мемристоры с TiN электродом обладают хорошо воспроизводимым эффектом резистивного переключения. Pt электрод в данном случае обеспечивает инертную границу с диэлектриком.
4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕМРИСТОРА
4.1Мемристор в гибридных аналогово-цифровых схемах
Искусственные нейронные сети, которые в настоящий момент активно разрабатываются, имеют гибридную аналого-цифровую архитектуру (рис. 9а, 9б). В данном случае двухполюсные мемристоры коммутационной матрицы, образованные в точках схождения проводов, соединяют пресинаптические и постсинаптические нейроны, построенные на КМОП элементах. Нейроны изготавливают на основе обычных КМОП транзисторов, а роль синапса играет мемристор. Мемристор представляет собой двухполюсное электронное устройство, проводимость которого зависит от протекшего через него суммарного заряда, и обладающее синаптической пластичностью.
а б
Рис. 9 Характеристики наномерного мемристора и его использование в качестве синапса. (a) Концептуальная схема использования мемристора в качестве синапса, соединяющего нейроны. На врезках показаны схема подключения двухполюсных мемристоров и слоистая структура одного устройства. (б) Нейроморфная структура с КМОП нейронами и мемристорными синапсами, расположенными на коммутационной матрице
При современном уровне развития мемристоров функциональный элемент имеет стандартные латеральные размеры 100 нм х 100 нм и менее ( рис. 10), если не рассматривать экзотические, далекие от внедрения, варианты на нанотрубках, позволяющие сформировать ячейки экстремально малых размеров (до 1.5 х 1.5 нм). Толщина диэлектрических слоев в таких ФЭ составляет обычно 5-20 нм.
Рис. 10 – Изображение матрицы Pt/TaOx/TiO2-x/Pt в атомно-силовом микроскопе [14]
Изготовление массива мемристоров с латеральным размером порядка 100 нм и электрических контактов к мемристорам, без которых невозможно исследование их электрофизических характеристик, достигается путем нескольких циклов электронной и фотолитографии и занимает слишком много времени для лабораторного практикума. Поэтому в ходе данной работы будут изготовлены мемристоры с латеральным размером ø50-750 мкм, однако толщина функционального диэлектрического слоя будет соответствовать современной мировой практике (6-10 нм).
4.2 Модель мемристора
Образец мемристоров изготавливается на кремниевых подложках и представляет собой МДМ структуру (рис. 11). Нижний электрод представляет собой металлический Pt слой с подслоем Cr, нанесенный на всю площадь подложки. Толщина Pt слоя составляет 50 нм, толщина Cr слоя ― около 10 нм. Трехкомпонентный оксид металла HfxA11-xOy толщиной 6-10 нм также нанесен на всю площадь подложки. Верхние электроды состоят металлического TiN слоя толщиной 50 нм и Al слоя толщиной 100 нм. Электроды нанесены через теневую маску с диаметром отверстий ø50-750 мкм и представляют собой отдельно расположенные контакты.
Рис. 11 Схема структуры мемристора
4.3 Методы и параметры изготовления слоев мемристоров
1) Изготовление нижнего электрода
Для формирования нижнего электрода в виде металлического Pt слоя с Cr подслоем применяется метод электронного распыления из мишени (установка BOC Edwards). С целью удаления естественного оксида SiO2 с Si пластины непосредственно перед напылением кремниевые подложки нужно обработать в течение 30 с в 1%-водном растворе плавиковой кислоты HF. Адгезионный Cr подслой толщиной 10 нм необходим для хорошего сцепления Pt слоя с подложкой. То есть Cr подслой играет вспомогательную роль. Общая толщина нижнего электрода составляла ~50-60 нм.
2) Изготовление диэлектрического слоя
Пленка HfxAl1-xOy выращивается методом атомнослоевого осаждения (АСО) в реакторе Sunale R-150 Picosun OY c горячими стенками при пониженном давлении (500 Па) и температуре подложек 240oC. Рост пленок HfxAl1-xOy осуществляется на кремниевые пластины с предварительно выращенной на них пленкой Pt и TiN,. В качестве газа носителя и для продувки камеры используют азот особой чистоты (99.999%). Длительность импульсов подачи реагентов Al(CH3)3, Hf[N(CH3)(C2H5)]4 и H2O должна составлять 0.1 с, 0.5 с и 0.1 с соответственно. После каждого импульса камера реактора продувается азотом в течение 6 с. Для обеспечения необходимого давления насыщенных паров температура Hf[N(CH3)(C2H5)]4 задается равной 100oC. Температура Al(CH3)3 и H2O должна составлять 22oC. С целью получения переменной концентрации Al по глубине пленки атомно-слоевое осаждение осуществляют в течении шести реакционных серий суперциклов с различным отношением числа n циклов Al(CH3)3 – H2O и числа m циклов Hf[N(CH3)(C2H5)]4 – H2O (таблица 1). Число k суперциклов в каждой серии подобрано таким образом, чтобы достичь толщины пленки, получаемой за каждую реакционную серию, равно 0.9…1 нм.
3) Изготовление верхнего электрода
Напыление верхних TiN электродов толщиной 50 нм осуществляется через теневую маску с диаметром отверстий ø50- 750 мкм методом магнетронного распыления (установка BOC Edwards). Для напыления TiN используется реактивное магнетронное распыление из Ti мишени в атмосфере азота при температуре подложки ~30 оС. Дополнительный слой Al толщиной 100 нм наносят, главным образом, для последующего лучшего контакта иглы зондовой станции к верхнему электроду, а кроме того, для лучшей визуализации контактов в оптический микроскоп станции. Дело в том, что структуры, получаемые методом магнетронного распыления через теневую маску, имеют размытые края с градиентом пленки по толщине и слабо различаются в микроскоп. Электронное распыление градиента по толщине не дает, и края получаются резкими. Al подслой играет вспомогательную роль. Между операциями нанесения металлических и диэлектрических слоев во избежание загрязнения образцы должны находиться в закрытом контейнере.
Эксперименты по исследованию электрофизических свойств мемристоров должны осуществляться не ранее, чем через сутки после изготовления образца.
Вольт-амперные характеристики измеряются в комнатных условиях, с помощью зондовой станции и LCR-метра Agilent E4980A с опцией для измерения вольт-амперных характеристик. [15]
5. ЧТО УДАЛОСЬ СДЕЛАТЬ БЛАГОДАРЯ МЕМРИСТИВНОЙ ПАМЯТИ
1) Использование наноразмерных мемристоров позволило создать самый маленький на сегодняшний день узел вычислительного устройства.
Рис.12 Самый маленький узел вычислительного устройства
Группа инженеров из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработала структуру наноразмерного функционального блока для вычислительных устройств и представила ее в рамках конкурса Feynman Grand Prize. В этом блоке, который является 8-разрядным сумматором, используется достаточно нетрадиционный вид логики, а сам блок может быть упакован в объем куба, размером 50 на 50 и 50 нанометров. К сожалению, изготовление такого блока в настоящее время невозможно в силу отсутствия соответствующих технологий, но скорость развития последних позволяет надеяться, что нечто подобное сможет стать реальностью уже в самом ближайшем будущем.
2) Создана новая схема на основе мемристора, которая максимально точно имитирует работу синапса головного мозга.
Рис.13 Схема на основе мемристора, которая максимально точно имитирует работу синапса головного мозга
Выбор одного определенного изображения из тысячи является достаточно простой задачей для мозга человека. Миллиарды нейронов, соединенные еще большим количеством синапсов, быстро обрабатывают поступающую информацию и принимают решения, используя принципы параллельной обработки информации. Стремясь повторить подобные принципы, инженеры и ученые некоторое время работают с мемристорами, электронными приборами, работа которых в некотором роде подобна работе синапсов. И недавно исследователи из Массачусетского университета (University of Massachusetts) создали электронную схему на базе мемристора, которая соответствует синапсу в большей мере, нежели любая другая подобная схема.
3) Разработан первый в своем роде "растворимый" мемристор.
Рис.14 Растворимый мемристор
Группа исследователей, в состав которой вошли исследователи из нескольких китайских университетов и нескольких университетов из Великобритании, разработали структуру и изготовили опытные образцы электронных устройств-мемристоров, которые состоят из органического белка и небольшого количества магния и вольфрама. Мемристоры - это электронные приборы, имеющие два электрода, которые не только ограничивают проходящий через них ток, как обычные резисторы, но и запоминают в виде своего сопротивления силу проходившего ранее через них тока. Таким образом мемристоры являются подходящими кандидатами на использование их в качестве базовых компонентов ячеек энергонезависимой памяти и перепрограммируемых логических матриц. [16]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наука не стоит на месте, а вместе с ней наша повседневная жизнь. Все больше открытий находят применение в быту. Человечество развивается с необычайной скоростью, но вместе с тем возрастает необходимость хранить, передавать и вовремя извлекать информацию обо всем, что происходит. В этом нам постепенно начинают помогать новые устройства, одно из которых ‒ МЕМРИСТОРНАЯ ПАМЯТЬ. В то же время этот сегмент в области науки требует больших средств, ведь скорость в гонке постоянного усложнения технологий растет пропорционально потребностям человека.
Список используемой литературы
1. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0023/001a/1052-nik.pdf А.В.Никитин «Немного о мемристоре» , г.Волгодонск, 2014г (дата обращения 08.04.2017)
2. http://www.cpmt.org/scv/meetings/chua.pdf LEON 0. CHUA, «Memristor-The Missing Circuit Element», 1971г (дата обращения 10.04.2017)
3. http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~ee129/fa08/handouts/TheMissingMemristorFound.pdf Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart1 & R. Stanley Williams «The missing memristor found» 2008г. (дата обращения 10.04.2017)
4. http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1260374 Peter Clarke «HP, Hynix to launch memristor memory» 2013г. (дата обращения 10.04.2017)
5. http://www.zdnet.com/article/memristors-one-year-delay-will-hit-it-in-the-wallet/ Jack Clark «Memristors' one-year delay will hit IT in the wallet», 2012г. (дата обращения 10.04.2017)
6. https://arstechnica.com/information-technology/2014/06/hp-plans-to-launch-memristor-silicon-photonic-computer-within-the-decade/ Peter Bright «HP plans to launch memristor, silicon photonic computer within the decade. Electrons, photons, and ions will work together to revolutionize computing.» 2014г. (дата обращения 10.04.2017)
7. https://tproger.ru/news/hp-the-machine/ Антон Корольков «HP представила прототип суперкомпьютера, который в 8000 раз быстрее существующих ПК», 2016г. (дата обращения 10.04.2017)
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/RRAM статья из Википедии (дата обращения 29.04.2017)
9. D.B. Strukov, G.S. Snider, D.R. Stewart, R.S. Williams. Nature 2008 г., 453, p. 80.
10. H. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 2010 г., p. 96
11. http://ccfit.nsu.ru/~tarkov/Memristive%20computing/Kavehei2011.pdf Omid Kavehei «Memristive Devices and Circuits for Computing, Memory, and Neuromorphic Applications» 2011г. p. 53-58 (дата обращения 05.05.2017)
12. Sawa A. Mater. Today 2008 г., 11, 28.
13. L. Goux, Y.-Y. Chen, L. Pantisano, X.-P. Wang, G. Groeseneken, M. Jurczak, D.J. Wouters Electrochem. Solid-State Lett. 2010г. , 13, p. G54–G56.
14. J.J. Yang, M.X. Zhang, M. Pickett, F. Miao, J.P. Strachan, W.D. Li, W. Yi, D.A.A. Ohlberg, B.J. Choi, W. Wu, J.H. Nickel, G. Medeiros-Ribeiro, R.S. Williams. Appl. Phys. Lett. 2012г.
15. http://www.electronics.ru/files/article_pdf/4/article_4756_151.pdf А.Гудков, А.Гогин, М.Кик, А.Козлов, А.Самусь «Мемристоры-новый тип элементов резистивной памяти для наноэлектроники» 2014г. (дата обращения 20.05.2017)
16. http://www.dailytechinfo.org/tags/%CC%E5%EC%F0%E8%F1%F2%EE%F0/ форум (дата обращения 25.05.2017) |
Категория: Наноматериалы и нанотехнологии (курсовые работы магистров РУДН) | Добавил: mmkashevarova (30.05.2017)
| Автор: Шилкина Мария Михайловна 
|
| Просмотров: 1357
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
