Тематика этих 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), сообщили в пресс-службе ИФП СО РАН. Отмечается, что исследования велись международными коллективами ученых из Института физики полупроводников им. А В. Ржанова СО РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета и Национального университета Чао Тунг (Тайвань).

— 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 статей, главный научный сотрудник лаборатории физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Владимир 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 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.

Фото предоставлено пресс-службой ИФП СО РАН