danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-4-403-410dan-896Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМемристорная структура с эффектом переключения сопротивления на основе тонких пленок нитрида кремнияMemristor structure with the effect of switching resistance based on silicon nitride thin layersКомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич - член-корреспондент, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ.

ул. Курчатова, 7, 220108, Минск.

Komarov Fadei F. - Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory, A.N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems.

7, Kurchatov Str., 220108, Minsk.

komarovf@bsu.byРомановИ. А.RomanovI. A.

Романов Иван Александрович - младший научный сотрудник, БГУ.

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск.

Romanov Ivan A. - Junior researcher, Belarusian State University.

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk.

romivan@bsu.byВласуковаЛ. А.VlasukovaL. A.

Власукова Людмила Александровна - кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, БГУ.

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск.

Vlasukova Liudmila A. - Ph. D. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory, Belarusian State University.

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk.

vlasukova@bsu.byПархоменкоИ. Н.ParkhomenkoI. N.

Пархоменко Ирина Николаевна - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, БГУ.

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск.

Parkhomenko Irina N. - Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading researcher, Belarusian State University.

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk.

parkhomenko@bsu.byЦивакоА. А.TsivakoA. A.

Цивако Алексей Александрович - начальник производства.

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск.

Tsivako Alexey A. - Production manager, Joint Stock Company “Integral”.

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk.

atsivako@integral.byКовальчукН. С.KovalchukN. S.

Ковальчук Наталья Станиславовна - кандидат технических наук, заместитель главного инженера.

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск.

Kovalchuk Natalia S. - Ph. D. (Engineering), Deputy Chief Engineer, Joint Stock Company “Integral”.

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk.

nkovalchuk@integral.byИнститут прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университетаA.N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems of the Belarusian State UniversityБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityОАО «Интеграл»Joint Stock Company “Integral”202029082020644403410Copyright © Комаров Ф.Ф., Романов И.А., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Цивако А.А., Ковальчук Н.С., 20202020Комаров Ф.Ф., Романов И.А., Власукова Л.А., Пархоменко И.Н., Цивако А.А., Ковальчук Н.С.Komarov F.F., Romanov I.A., Vlasukova L.A., Parkhomenko I.N., Tsivako A.A., Kovalchuk N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/896

Исследованы электрофизические свойства и эффект резистивного переключения мемристорной структуры ITO/SiNx/Si. Пленка нитрида кремния толщиной ~200 нм с изменяющимся по глубине соотношением Si/N нанесена методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении. Концентрация избыточных атомов кремния в пленке SiNx, определенная методом обратного резерфордовского рассеяния, увеличивается от 9 до 44 % по мере продвижения в глубь образца. Результаты исследования вольт-амперных характеристик структур ITO/ SiNx/Si-p показали, что механизм проводимости в состоянии с высоким сопротивлением определяется свойствами нитридной пленки и описывается моделью Пула-Френкеля, учитывающей перескоковый характер движения электронов между ловушками. Переключение в состояние с низким сопротивлением, вероятно, вызвано миграцией ионов индия или олова из контакта ITO в слой SiNx. После переключения в состояние с низким сопротивлением проводимость структуры ITO/SiNx/Si определяется комбинацией механизмов инжекции носителей заряда из контакта и механизмов переноса носителей заряда через диэлектрический слой. Изменение полярности приложенного к структуре напряжения приводит к разрушению проводящего канала и переключению структуры в состояние с высоким сопротивлением. Для структуры ITO/SiNx/Si обнаружен эффект фотопереключения, что открывает новые возможности использования мемристоров в системах кремниевой оптоэлектроники.

The electrophysical properties and the resistive switching effect of the ITO/SiNx/Si memristor structure were studied. A silicon nitride film with a thickness of ~200 nm with an inhomogeneous element depth distribution was deposited by low-pressure chemical vapor deposition. Based on the Rutherford backscattering data, it was shown that the concentration of excess silicon atoms in the SiNx film increases from 9 to 44 % when approaching the Si substrate. The analysis of the current-voltage characteristics of ITO/SiNx/Si structures revealed that the conduction mechanism in the high-resistance state is determined by the nitride film properties and is described by the Poole-Frenkel model taking into account the hopping model of electron transport between traps. Switching to the low-resistance state is probably caused by the migration of indium or tin ions from the ITO contact to the SiNx layer. The conduction of the ITO/SiNx/Si structure in the low-resistance state is determined by both the mechanisms of charge-carrier injection from the contact and charge-carrier transport through the dielectric layer. Reverse polarity results in destructing the conductive channel and switching the structure to the high-resistance state. The photo-switching effect was found for the ITO/SiNx/Si structure, which opens up new possibilities of using memristors in silicon optoelectronic systems.

нитрид кремнияизбыток кремниямемристорвольт-амперные характеристикимеханизмы проводимостиsilicon nitridesilicon excessmemristorcurrent-voltage characteristicsconduction mechanismsReferencesChua, L. O. Memristor - the missing circuit element / L. O. Chua // IEEE Trans. Circuit Theory. - 1971. - Vol. 18, N 5. -P. 507-519. https://doi.org/10.1109/tct.1971.1083337Chua L. O. Memristor - the missing circuit element. IEEE Transactions on Circuit Theory, 1971, vol. 18, no. 5, pp. 507-519. https://doi.org/10.1109/tct.1971.1083337The missing memristor found / D. B. Strukov [et al.] // Nature. - 2008. - Vol. 453, N 7191. - P. 80-83. https://doi.org/10.1038/nature06932Strukov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. The missing memristor found. Nature, 2008, vol. 453, no. 7191, pp. 80-83. https://doi.org/10.1038/nature06932Investigation of electron and hole lateral migration in silicon nitride and data pattern effects on Vt retention loss in multilevel charge trap flash memory / Y.-H. Liu [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2019. - Vol. 66, N 12. -P. 5155-5161. https://doi.org/10.1109/ted.2019.2949251Liu Y.-H., Zhan T.-C., Wang T., Tsai W.-J., Lu T.-C., Chen K.-C., Lu C.-Y. Investigation of electron and hole lateral migration in silicon nitride and data pattern effects on Vt retention loss in multilevel charge trap flash memory. IEEE Transactions on Electron Devices, 2019, vol. 66, no. 12, pp. 5155-5161. https://doi.org/10.1109/ted.2019.2949251Charge transport mechanism in SiNx-based memristor / A. A. Gismatulin [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2019. - Vol. 115, N 25. - P. 253502 (5 p.). https://doi.org/10.1x063/1.5127039Gismatulin A. A., Gritsenko V. A., Yen T.-J., Chin A. Charge transport mechanism in SiNx-based memristor. Applied Physics Letters, 2019, vol. 115, no. 25, pp. 253502 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.5127039Nasyrov, K. A. Charge transport in dielectrics via tunneling between traps / K. A. Nasyrov, V. A. Gritsenko // J. Appl. Phys. - 2011. - Vol. 109, N 9. - P. 093705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3587452Nasyrov K. A., Gritsenko V. A. Charge transport in dielectrics via tunneling between traps. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, no. 9, pp. 093705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.3587452Nanocrystalline Si pathway induced unipolar resistive switching behavior from annealed Si-rich SiNx/SiNy multilayers / X. Jiang [et al.] // J. Appl. Phys. - 2014. - Vol. 116, N 12. - P. 123705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.48965x52Jiang X., Ma Z., Yang H., Yu J., Wang W., Zhang W., Li W., Xu J., Xu L., Chen K., Huang X., Feng D. Nanocrystalline Si pathway induced unipolar resistive switching behavior from annealed Si-rich SiNx/SiNy multilayers. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 116, no. 12, pp. 123705 (5 p.). https://doi.org/10.1063/1.4896552Yen, T. J. High performance all nonmetal SiNx resistive random access memory with strong process dependence / T. J. Yen, A. Chin, V. Gritsenko // Scientific Reports. - 202x 0. - Vol. 10, N 1. - P. 1-9. https://doi.org/10.1038/s41598-020-59838-yYen T. J., Chin A., Gritsenko V. High performance all nonmetal SiNx resistive random access memory with strong process dependence. Scientific Reports, 2020, vol. 10, no. 1, pp. 1-9. https://doi.org/10.1038/s41598-020-59838-yOrigin of visible photoluminescence from Si-rich and N-rich silicon nitride films / I. Parkhomenko [et al.] // Thin Solid Films. - 2017. - Vol. 626. - P. 70-75. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.027Parkhomenko I., Vlasukova L., Komarov F., Milchanin O., Makhavikou M., Mudryi A., Zhivulko V, Zuk J., Kopycinski P, Murzalinov D. Origin of visible photoluminescence from Si-rich and N-rich silicon nitride films. Thin Solid Films, 2017, vol. 626, pp. 70-75. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.027Electroformed silicon nitride based light emitting memory device / T. Anutgan [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2017. -Vol. 111, N 5. - P. 053502 (4 p.). https://doi.org/10.1063/1.4997029Anutgan T., Anutgan M., Atilgan I., Katircioglu B. Electroformed silicon nitride based light emitting memory device. Applied Physics Letters, 2017, vol. 111, no. 5, pp. 053502 (4 p.). https://doi.org/10.1063/1.4997029Nanoscale plasmonic memristor with optical readout functionality / A. Emboras [et al.] // Nano Letters. - 2013. -Vol. 13, N 12. - P. 6151-6155. https://doi.org/10.1021/nl403486xEmboras A., Goykhman I., Desiatov B., Mazurski N., Stern L., Shappir J., Levy U. Nanoscale plasmonic memristor with optical readout functionality. Nano Letters, 2013, vol. 13, no. 12, pp. 6151-6155. https://doi.org/10.1021/nl403486xIntegrated all-photonic non-volatile multi-level memory / C. Rfos [et al.] // Nature Photonics. - 2015. - Vol. 9, N 11. -P. 725-732. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.182Rfos C., Stegmaier M., Hosseini P., Wang D., Scherer T., Wright C. D., Bhaskaran H., Pernice W. H. P Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory. Nature Photonics, 2015, vol. 9, no. 11, pp. 725-732. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.182Bipolar resistive switching and charge transport in silicon oxide memristor / A. N. Mikhaylov [et al.] // Materials Science and Engineering: B. - 2015. - Vol. 194. - P. 48-54. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2014.12.029Mikhaylov A. N., Belov A. I., Guseinov D. V., Korolev D. S., Antonov I. N., Efimovykh D. V., Tikhov S. V., Kasatkin A. P., Gorshkov O. N., Tetelbaum D. I., Bobrov A. I., Malekhonova N. V., Pavlov D. A., Gryaznov E. G., Yatmanov A. P. Bipolar resistive switching and charge transport in silicon oxide memristor. Materials Science and Engineering: B, 2015, vol. 194, pp. 48-54. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2014.12.029Valov, I. Cation-based resistance change memory / I. Valov, M. N. Kozicki // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2013. - Vol. 46, N 7. - P. 074005 (14 p.). https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/7/074005Valov I., Kozicki M. N. Cation-based resistance change memory. Journal of Physics D: Applied Physics, 2013, vol. 46, no. 7, pp. 074005 (14 p.). https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/7/074005Boon, M. R. The Poole-Frenkel pre-exponential factor / M. R. Boon // Thin Solid Films. - 1972. - Vol. 11, N 1. -P. 183-185. https://doi.org/10.1016/0040-6090(72)90357-4Boon M. R. The Poole-Frenkel pre-exponential factor. Thin Solid Films, 1972, vol. 11, no. 1, pp. 183-185. https://doi.org/10.1016/0040-6090(72)90357-4Two-band conduction in TiO2 / D. V. Gritsenko [et al.] // Physics of the Solid State. - 2006. - Vol. 48, N 2. - P. 224-228. https://doi.org/10.1134/s10637834060220053Gritsenko D. V, Sha!meev S. S., Atuchin V V, Grigor'eva T. I., Pokrovskiĭ L. D., Pchelyakov O. P., Gritsenko V A., Aseev A. L., Lifshits V. G. Two-band conduction in TiO2. Physics of the Solid State, 2006, vol. 48, no. 2, pp. 224-228. https:// doi.org/10.1134/s1063783406020053

The authors declare that there are no conflicts of interest present.