Учебно-научный образовательный комплекс для учащихся школ, лицеев, студентов и магистрантов

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Классификация твердых тел по величине электропроводности
По величине удельной электропроводности все твердые тела можно разделить на три большие группы: металлы, диэлектрики и полупроводники.
Электронные свойства твёрдых тел

Электронные свойства твёрдых тел
Средняя кинетическая энергия одноатомной молекулы идеального газа согласно молекулярно-кинетической теории:
mu̅2 / 2 = (3 / 2)kT,
откуда
u̅ = √(3kT / m),
Электронная проводимость металлов
Для комнатной температуры (300 К) скорость хаотического движения электронов около 110 км/с.
В проводнике площадью поперечного сечения S и длиной l образовать однородное электрическое поле с напряженностью E̅, то на каждый свободный электрон будет действовать сила F = eE, где e — заряд электрона.
Средняя длина свободного пробега электрона λ̅ (расстояние, которое проходит электрон между двумя последовательными столкновениями с ионами кристаллической решетки) имеет такой же порядок, как и постоянная кристаллической решетки (приблизительно 10-8 см).
Скорость хаотического движения свободных электронов в металлах во много раз больше, чем скорость их направленного движения при образовании тока, т.е. v̅ << u̅.

ЗОННАЯ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Обобществление электронов в кристалле
В твердом теле расстояния между атомами настолько малы, что каждый из них оказывается в достаточно сильном поле соседних атомов.
а – энергетические уровни в изолированном атоме
б – атомы в одномерном кристалле
в – внутрикристаллическое потенциальное поле
г – расположение энергетических зон
Энергетическая схема

ЗОННАЯ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
заполнение зон, ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Электронная проводимость.
ЗОННАЯ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
При наличии в структуре дефектов в запрещенной зоне возникают энергетические уровни, либо занятые электронами, либо свободные.
Энергетические уровни в запрещенной зоне кристалла могут возникнуть и тогда, когда в нем имеются чужеродные атомы.

Мемристоры.
Новый тип энергонезависимой памяти и другие применения.

Актуальность
Создание резистивной энергонезависимой памяти (RRAM) – интенсивно развивающееся направление в наноэлектронике. - RRAM имеет простую структуру;
- Мощность переключения (пикоджоули), что в сотню раз меньше, чем это необходимо для операций с элементами флэш-памяти;
Может быть достигнута высокая плотность записи (размер одного элемента ~ 10 nm2);
Сейчас время записи в RRAM составляет ~5нс;
Время хранения информации ограничено химическими процессами деградации материала (более 10 лет);
- Большее число циклов переключения (10 миллионов);
- Процесс изготовления совместим с CMOS технологией.

Мемристор
Мемристивные системы – новая парадигма в электронике
Эффект резистивного переключения, известный с 1960-х, в настоящее время считается основой для “…нового поколения компьютеров и устройств хранения данных с низким энергопотреблением, а также нового класса нейроморфных самообучающихся систем”
“Мозг сделан из мемристоров…”
M.D. Ventra, Yu.V. Pershin, L.O. Chua. Proc. IEEE 97, 1717 (2009)
D. B. Strukov et al. Nature 453, 80 (2008)
L.O. Chua. IEEE Trans. Cirquit Theory 18, 507 (1971)
Эффект биполярного переключения
R. Waser et al. Nature Materials 6, 833 (2007)
Модель проводящих нитей
“ON”
“OFF”
Мемристор реализуется в простой тонкопленочной структуре металл/диэлектрик (полупроводник)/металл, которая демонстрирует воспроизводимое изменение сопротивления при подаче импульса напряжения (тока).
Наиболее распространенным механизмом переключения является обратимое формирование (разрыв) проводящих нитей (филаментов) в изолирующем слое.

Актуальность

Резистивная память RRAM
RRAM – мемристор – устройство, способное изменять сопротивление в зависимости от величины проходящего тока.

Электроформовка
Электроформовка – радикальное изменения электрических свойств диэлектрика при приложении некоторого минимального напряжения Vф, где Vф – напряжение формовки. Накопленные экспериментальные результаты показывают, что степень формовки зависит от толщины диэлектрика и контролируется напряжением.
Наиболее легко формовка осуществляется в диэлектриках с химически активными анионами (TiOx, Ta2O5, Al2O3, NiOx, HfOx,фториды и др.) и облегчается, когда диэлектрик нестехиометрический.
Модели процесса электроформовки в основном базируются на представлениях об образовании областей в диэлектрике, в которых происходят структурные изменения, приводящие к возникновению проводящего шнура через плёнку (R~ 10-100 nm). Наличие проводящих шнуров наблюдают экспериментально!

Today’s understanding of the resistive switching mechanisms are based mainly on the concept of conductive filaments (2-50 nm thick) emerging inside the insulator under the electric voltage applied to the electrodes of memristive stack
Inside the filaments, the modification of the atomic structure of the material takes place, which lead to local increasing of the electron conductivity of the material
J.S. Lee et al. Appl. Phys. Rev. 2015, 2, 031303
R. Waser et al. Adv. Mater. 2009, 21, 2632
Low resistance state
High resistance state
Филаментарная концепция резистивного переключения

В зависимости от конкретной системы МДМ, существуют два типа переключения из состояния с малым сопротивлением (ON) в состояние с большим значением сопротивления (OFF).
а-униполярный механизм переключения происходит при одной полярности тока и напряжения; б- биполярный механизм переключения происходит при разной полярности напряжения и тока.
Резистивная память RRAM
Одно из этих пороговых напряжений Voff повышает сопротивление и "открывает" мемристор (разрывает соединение). Это состояние обозначают как логический "0". Другое пороговое напряжение –Von–вызывает уменьшение сопротивления и "закрывает" мемристор, т.е. обеспечивает протекание тока.
Из работы Rainer Waser, Masakazu Aono/ Nanoionics-based resistive switching memories // Nature Mater. 2007,Vol/6, P.833-840.

Три механизма резистивного переключения, обусловленные атомной перестройкой заряженных дефектов или примесей в материале
а) непрерывная проводящая нить в матрице между контактами;
b) дискретный канал с прыжковой проводимостью;
с) изменение интерфейсного сопротивления на границе раздела контакт – матрица.
Rbridge = Rfil + 2RC

Иллюстрация критических размеров памяти
Nanotechnology 22 (2011) 254027 (21pp) doi:10.1088/0957-4484/22/25/254027
Scaling limits of resistive memories
Victor V Zhirnov1, Roy Meade2, RalphK Cavin1 and
Gurtej Sandhu2

Оценка величины сопротивления одного атома между электродами
В квантовом приближении
Nanotechnology 22 (2011) 254027 (21pp) doi:10.1088/0957-4484/22/25/254027
Scaling limits of resistive memories
Victor V Zhirnov1, Roy Meade2, RalphK Cavin1 and
Gurtej Sandhu2
В классическом приближении
Возможные реальные конфигурации для мостиковых структур

Качественная модель электрополевого биполярного переключения в макроскопических структурах на основе YSZ

Выбор материалов структуры для элементов RRAM
Fig. 1. Typical I-V characteristics of Pt/Cu:MoOx/Cu devices.
JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE, VOL.8, NO.1, MARCH, 2008

Локальная электрополевая модификация проводимости наноразмерного слоя диоксида циркония
Токовые изображения поверхности структуры ZrO2(Y)/Si, полученные последовательным сканированием в одной области. Потенциал на зонде -8В. (1,8 с.)

a - морфология поверхности; б–токовое изображение. Темный участок на токовом изображении с пониженной проводимостью, получен путем трех кратного сканирования поверхности (500X500 nm) при напряжении на зонде -8В.
Внутренний участок (200X200 nm) получен путем однократного сканирования поверхности с полярностью на зонде +8В;
Эффект переключения проводимости в наноразмерном слое диоксида циркония

Резистивное переключение в структурах TiN – YSZ – (Zr-Au)
ВАХ структуры TiN – YSZ – (Zr-Au) (площадь структуры 8,2×10-3 см2). RH/RL ~ 10

Локальная электрополевая модификация проводимости наноразмерного слоя диоксида циркония
Токовое изображение модифицированного участка поверхности

Резистивные элементы памяти и кросс-бар структуры

Другие применения
Электронный синапс
Изменяя величину электрического поля и длительность его приложения, можно получить любое значение проводимости структуры из непрерывного ряда состояний СНС. Такое поведение мемристора аналогично изменению пропускной способности биологического синапса и рассматривается в качестве одного из главных условий для применения мемристоров в нейроморфных системах и элементной базе синаптической электроники
Синапс

Применение мемристоров
J. Nickel. IEDM Advanced Memory Technology Workshop (2011)
К прорывным научно-техническим результатам ближайших лет относится создание на базе мемристоров универсальной памяти, которая объединит в себе характеристики существующих видов оперативных и постоянных запоминающих устройств, а в перспективе должен произойти постепенный отказ от классических программируемых машин фон Неймана и переход к искусственным когнитивным системам на основе мемристоров (ассоциативным компьютерам).

Год 2019 г.
Благодарю за внимание

Modification of the surface morphology of the yttria stabilized zirconia films
during resisitive switching by Conductive Atomic Force Microscopy
The dependence of the averaged height of the modifiedarea of the YSZ/Si film < H > on Vread (a).; the kinetics of < H > at Vread = 0 V (b).
O. N. Gorshkov, D. A. Antonov, A. P. Kasatkin, M. E. Shenina, A. Yu. Dudin and D. O. Filatov
Modification of the surface morphology of the yttria stabilized zirconia films
during resisitive switching by Conductive Atomic Force Microscopy
Nova Science Publishers, New York, 2014,p.335

ВАХ туннельного контакта АСМ зонд – ZrO2 /Si (n-тип) измеренная в направлении от - 8В до + 8В и от +8В до -8В
Типичные ВАХ структур АСМ зонд – ZrO2 /Si (n-тип)

Температурная зависимость низкоомного и высокоомного состояний
Образец Au+Zr(3нм)/ СДЦ(12 нм)/TiN.
Измерено при напряжении 1В.

Сравнительные характеристики устройств памяти

Мемристор
Мемристивные системы – новая парадигма в электронике
Эффект резистивного переключения, известный с 1960-х, в настоящее время считается основой для “…нового поколения компьютеров и устройств хранения данных с низким энергопотреблением, а также нового класса нейроморфных самообучающихся систем”
“Мозг сделан из мемристоров…”
M.D. Ventra, Yu.V. Pershin, L.O. Chua. Proc. IEEE 97, 1717 (2009)
D. B. Strukov et al. Nature 453, 80 (2008)
L.O. Chua. IEEE Trans. Cirquit Theory 18, 507 (1971)
Эффект биполярного переключения
R. Waser et al. Nature Materials 6, 833 (2007)
Модель проводящих нитей
“ON”
“OFF”
Мемристор реализуется в простой тонкопленочной структуре металл/диэлектрик (полупроводник)/металл, которая демонстрирует воспроизводимое изменение сопротивления при подаче импульса напряжения (тока).
Наиболее распространенным механизмом переключения является обратимое формирование (разрыв) проводящих нитей (филаментов) в изолирующем слое.

Публикационная активность
Всплеск работ по RRAM и нейроморфным системам на основе мемристоров начался примерно в одно время (2008-2009 гг).
O. Kavehei. PhD Thesis, The University of Adelaide (2011)
Свежие обзоры по синаптической электронике:
D. Kuzum et al. Nanotechnology 24, 382001 (2013); A. Thomas et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 093001 (2013)

Синаптическое поведение мемристора
S.-J. Choi et al. Appl. Phys. A 102, 1019 (2011)
Свойство I: Непрерывный набор резистивных состояний
Проявляется в изменении сопротивления электронного устройства в зависимости от параметров импульсов прикладываемого напряжения
Свойство II: Эволюция резистивного состояния в соответствии с историей входного сигнала, соответствующая последовательной потенциации или депрессии биологического синапса
Проявляется в изменении сопротивления электронного устройства при приложении последовательностей импульсов напряжения с одинаковыми амплитудой и длительностью
Для того, чтобы воспроизвести синапс, резистивное устройство (мемристор) должно проявлять следующие свойства:
Мемристор является электронным аналогом биологического синапса, который обладает свойством пластичности – способностью изменять свой вес, то есть силу связи между нейронами.
S.H. Jo. Nano Lett. 10, 1297 (2010)

Синаптическое поведение мемристора
Свойство II: Эволюция резистивного состояния в соответствии с историей входного сигнала, соответствующая последовательной потенциации или депрессии биологического синапса
S.-J. Choi et al. Appl. Phys. A 102, 1019 (2011)

Синаптическое поведение мемристора
Свойство I: Непрерывный набор резистивных состояний
Проявляется в изменении сопротивления электронного устройства в зависимости от параметров импульсов прикладываемого напряжения
A. Thomas. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 093001 (2013)
Схематическое изображение связанных нейронов
(weight)
V
τ
spike

Синаптическое поведение мемристора
Свойство II: Эволюция резистивного состояния в соответствии с историей входного сигнала, соответствующая последовательной потенциации или депрессии биологического синапса
T. Ohno et al. Nature Mater. 10, 591 (2011)
T. Chang et al. ASC Nano 5, 7669 (2011)

Наши мемристоры
O.N. Gorshkov et al. Tech. Phys. Lett. 40, 12 (2014)
Разработанные тонкопленочные структуры демонстрируют стабильное резистивное переключение между высокомным состоянием OFF и низкоомным состоянием ON в зависимости от развертки по напряжению.
Резистивное переключение связано с формированием и разрывом проводящих каналов.
Поперечное сечение тонкопленочной структуры
Резистивное переключение
Моделирование KMC процесса формирования шнура
369 ns
425 ns
“ON”
“OFF”

Наши мемристоры
Зависимость сопротивления от амплитуды спайка
Зависимость сопротивления от длительности спайка
Степень разрыва и восстановления филаментов зависит от приложенного электрического поля и длительности импульса. Это явление приводит к зависимости сопротивления мемристора от величины или длительности входного импульса напряжения (спайка) и является демонстрацией синаптического поведения мемристивных структур.
Получены предварительные данные по потенциации и депрессии при приложении последовательностей импульсов.
Потенциация и депрессия

Наши мемристоры
Зависимость сопротивления от амплитуды спайка
Зависимость сопротивления от длительности спайка
Степень разрыва и восстановления филаментов зависит от приложенного электрического поля и длительности импульса. Это явление приводит к зависимости сопротивления мемристора от величины или длительности входного импульса напряжения (спайка) и является демонстрацией синаптического поведения мемристивных структур.
Получены предварительные данные по потенциации и депрессии при приложении последовательностей импульсов.
Потенциация и депрессия

Объемы рынка запоминающих устройств
В мире сейчас продается 120-130 миллионов фотоаппаратов ежегодно и порядка 300 миллионов USB-накопителей. В 2009 году было продано более 1 миллиарда мобильных телефонов, и 75% из них имели слот для карты памяти.
Объем рынка запоминающих устройств согласно данным аналитической компании iSuppli, к 2019 году составит более 76 млрд. долл. (около 2 700 млрд. руб.).
В России в год продается более 30 миллионов мобильных телефонов.
По данным «Евросети», в 2010 году объем российского рынка флэш-накопителей (который включает в себя карты памяти USB флэш-накопителей, SSD-накопители) составит 23-24 млн. штук. Объем рынка флэш-памяти в России в 2010 году составил около $600 млн.
При замещении современных устройств памяти на устройства памяти на основе RRAM для последних ожидается сравнимый объем рынка. Технология RRAM – скорый переворот в области оперативной памяти (2013-2019 г.г.)

Перспективы резистивной памяти (RRAM)
RRAM может заменить всю иерархию компьютерной памяти (сверхбыстрая микропроцессорная кэш-память — оперативная память — долговременная память, в роли которой сейчас выступают жесткие диски).
Это дает возможность исключать потерю информации при внезапном отключении питания компьютера, поскольку вся оперативная информация сохранится. Что даст возможность при включении питания продолжить работу с прерванной команды процессора.
Компания НР предполагает начать массовое производство флэш-памяти на мемристорах в 2012 году. Спустя четыре года начнется выпуск резистивной оперативной и резистивной долговременной памяти.

Патентные исследования
FRAM
Flash
MRAM
RRAM

Благодарю за внимание !

а –область вблизи края электрода; б – структура островковой Au пленки на SiOx с массовой толщиной 5 nm вблизи контакта.; в -декорированная область область – канал протекания тока через плёнку;
с- центры эмиссии света и электронной эмиссии в этой области.
R.D. Fedorovich and. др., Physics Reports, 2000, P.73
а
б
в
с
Локальный разогрев внутри канала протекания тока

Локальная электрополевая модификация проводимости наноразмерного слоя диоксида циркония
а- Морфология и токовое изображение поверхности структуры ZrO2(Y)/Si. Напряжении между зондом и образцом составляло 4В (положительный потенциал на образце).
б- Токовое изображение участка поверхности ZrO2(Y)/Si, приведенного в непроводящее состояние путем трехкратного сканирования в одной области (потенциал на образце + 8В).
а
б

Токовое изображение каналов протекания в диэлектрической матрице
4) 2.50 V
6) 3.72 V
5) 3.11 V
3) 1.90 V
2) 1.29 V
1) 0.88 V
Размер всех изображений 35x35 nm2

a - морфология поверхности; б–токовое изображение. Темный участок на токовом изображении с пониженной проводимостью, получен путем трех кратного сканирования поверхности (500X500 nm) при напряжении на зонде -8В.
Внутренний участок (200X200 nm) получен путем однократного сканирования поверхности с полярностью на зонде +8В;
Эффект переключения проводимости в наноразмерном слое диоксида циркония

Актуальность

Актуальность