Мемристорная структура с эффектом переключения сопротивления на основе тонких пленок нитрида кремния

Исследованы электрофизические свойства и эффект резистивного переключения мемристорной структуры ITO/SiN_x/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 SiN_x, определенная методом обратного резерфордовского рассеяния, увеличивается от 9 до 44 % по мере продвижения в глубь образца. Результаты исследования вольт-амперных характеристик структур ITO/ SiN_x/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 SiN_x. После переключения в состояние с низким сопротивлением проводимость структуры ITO/SiN_x/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/SiN_x/Si обнаружен эффект фотопереключения, что открывает новые возможности использования мемристоров в системах кремниевой оптоэлектроники.

1. Chua, 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.1971.1083337

2. The missing memristor found / D. B. Strukov [et al.] // Nature. - 2008. - Vol. 453, N 7191. - P. 80-83. https://doi.org/10.1038/nature06932

3. Investigation 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.2019.2949251

4. Charge 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/10.1x063/1.5127039

5. Nasyrov, 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/10.1063/1.3587452

6. Nanocrystalline 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/10.1063/1.48965x52

7. Yen, 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-y

8. Origin 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.2017.02.027

9. Electroformed 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/10.1063/1.4997029

10. Nanoscale 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/nl403486x

11. Integrated 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.2015.182

12. Bipolar 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.2014.12.029

13. Valov, 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/10.1088/0022-3727/46/7/074005

14. Boon, 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)90357-4

15. Two-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/s10637834060220053