Тематика исследований — разработка энергонезависимой резистивной памяти, быстродействие и информационная емкость которой во много раз превышает характеристики флэш-памяти. Материалом для изготовления тестовых элементов новой памяти послужил нестехиометрический оксид кремния (SiOx).
Одна из статей опубликована в журнале Scientific Reports и вошла в ТОП-100 самых скачиваемых материалов в минувшем году, согласно недавно опубликованному рейтингу. Вторая — стала одной из самых читаемых работ Applied Physics Letters. Исследования велись международными коллективами ученых из Института физики полупроводников им. А В. Ржанова СО РАН, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета и Национального университета Чао Тунг (Тайвань).
Резистивная память RRAM (Resistive Random Access Memory) призвана, во-первых, заменить действующую флеш-память, а во-вторых, может использоваться в нейроморфных системах в качестве искусственного интеллекта. Среднее число переключений флэш-памяти — то есть количество перезаписей информации — порядка десяти тысяч, для RRAM этот показатель в сто миллионов раз больше, быстродействие же выше в десять миллионов раз. В качестве активной среды для RRAM обычно применяются различные оксиды металлов, так называемые high-k диэлектрики, но большинство из них трудно использовать в традиционном технологическом процессе из-за разных параметров кристаллических решеток кремния и high-k диэлектриков.
«В работе, результаты которой опубликованы в журнале Applied Physics Letters, мы исследовали нестехиометрический оксид кремния SiOx. Это “дружественный” материал для кремниевых микросхем, в отличие от оксидов металлов, которые используются в качестве активной среды резистивной памяти. Но чтобы создать на его основе ячейку, а затем матрицу памяти, необходимо детально описать механизм проводимости для высокоомного и низкоомного состояния диэлектрика, которым является SiOx», — отмечает соавтор обеих статей, главный научный сотрудник лаборатории физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Гриценко.
Чтобы решить эту проблему, сотрудники лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН создали мемристорный материал на основе SIOx методом плазмохимического окисления силана (SiH4) в кислородной плазме. Мемристор — элемент наноэлектроники, изменяющий свое сопротивление в зависимости от протекшего через него электрического заряда. Благодаря этому можно использовать изменение напряжения для перезаписи и считывания информации на мемристоре. Сейчас для записи информации используются транзисторы.
Специалисты лаборатории физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН установили, что теоретические модели, которые традиционно применяются для описания проводимости в диэлектрике, не подтверждаются при количественных экспериментальных измерениях нового мемристорного материала, а описывают эксперимент лишь качественно. Ученым удалось установить, что проводимость такого мемристора описывается теорией Шкловского — Эфроса.
«Теперь, когда мы знаем механизм проводимости, это открывает возможность для управления ею и запоминающими свойствами мемристоров на основе SiOx. Вероятно, поэтому наша статья привлекла большой интерес», — добавил Владимир Гриценко.
По словам Альберта Чина, профессора Национального университета Чао Тунг — это первый случай, когда совместная работа российских и тайваньских специалистов по физике приборов появилась в рейтинге лучших статей журнала Applied Physics Letters. Продолжение этого исследования — во второй совместной работе новосибирских исследователей и их тайваньских коллег, получившей международное признание и опубликованной в журнале Scientific Reports.
«В этом случае нам удалось впервые в мире создать и исследовать полностью неметаллический элемент RRAM, включая его электроды, и, таким образом, исключить влияние металлических контактов на механизм проводимости. Последний также определялся моделью Шкловского-Эфроса, детально описанной в статье, опубликованной в Applied Physics Letters», — прокомментировал старший научный сотрудник ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Владимир Алексеевич Володин.
Изученный мемристорный материал выращивался сотрудниками Национального университета Чао Тунг, специалисты ИФП СО РАН исследовали механизмы проводимости и вместе с тайваньскими коллегами уточняли процессы возникновения и разрушения филамента. Последний — это токопроводящая нанопроволока, возникающая в полупроводнике при подаче высокого положительного напряжения. В данном случае благодаря диффузии как вакансий кислорода, так и атомов кислорода между электродами появляются филаменты, обогащённые кремнием, по ним и протекает электрический ток. Если приложить отрицательное напряжение — филамент разрушается, и ток прекращается.
«Пока исследовалась не матрица памяти, а ее единичный элемент — мемристор. Однако, судя по большому окну памяти — то есть высокому отношению токов между проводящим и непроводящим состоянием, большому количеству циклов перепрограммирования (возможности перезаписи информации) и большому времени хранения (надежности материала), которое превышает десять тысяч секунд при температуре 85 градусов Цельсия, подобный подход должен сработать в матрицах», — подчеркнул Владимир Володин.
Проведение исследований поддержано грантом Российского научного фонда: проект № 18-49-08001.
Пресс-служба ИФП СО РАН
