Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) работают над новыми материалами для создания перспективных элементов памяти.
Исследователи из Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» изучили механизм переноса заряда в структурах «металл-диэлектрик-проводник», используя германо-силикатные стекла.
Эти ученые стали первыми в мире, которые выявили мемристорный эффект, изучили оптоэлектрические свойства новых материалов и исследуют процессы, связанные с электрическим током. Результаты их работы опубликованы в престижном научном журнале Applied Physics Letters.
Оксид кремния, наиболее распространенный диэлектрик, широко применяется в производстве микросхем. Кремний-гермениевые стекла представляют собой смесь оксида кремния и оксида германия.
Хотя ранее исследовались только оксиды кремния или гермения, ученые НГУ объединили свойства этих двух материалов. Оксид германия характеризуется низкой энергией связи, что позволяет создать более энергоэффективные мемристоры, которые легче переключаются.
В свою очередь, оксид кремния обладает стабильной структурой, что делает его долговечным и способным переносить большее количество циклов перезаписи.
Эти характеристики делают новейшие элементы памяти более надежными, что открывает новые горизонты в области электроники и вычислительной техники.
Германо-силикатные стекла обладают уникальными свойствами, сочетая характеристики двух различных соединений.
Научная группа, занимающаяся исследованием этих стекол более пяти лет, первой в мире обнаружила мемристорный эффект, который позволяет переключать состояние германо-силикатной пленки, меняя её сопротивление.
Данные состояния способны сохраняться на протяжении длительного времени.
В результате множества переключений был сделан вывод о необходимости глубже изучить механизмы транспорта в таких материалах для будущей оптимизации конструкций мемристоров.
Предыдущие исследования сосредоточились на механизмах транспорта в оксидах кремния и германия, тогда как настоящая работа направлена на изучение их смешанных свойств.
В статье представлены результаты исследований, касающиеся характеристик нового материала и физических процессов, происходящих при прохождении электрического тока.
Понимание этих механизмов в германо-силикатных пленках поможет в дальнейшем развитии технологий на их основе.
Для экспериментов были созданы пленки различных составов с измененными пропорциями оксидов германия и кремния, что позволило исследовать их поведение в контексте мемристорного эффекта.
Ученые разработали специальные МДП-структуры (металл-диэлектрик-полупроводник) с тонким слоем германо-силикатного стекла для проведения исследований вольтамперных характеристик, то есть зависимости тока от напряжения.
Эксперименты проводились в диапазоне температур от комнатной до 102°C, что соответствует рабочим условиям мемристоров. Исследователи фиксировали изменения тока при различных значениях напряжения, что позволило моделировать свойства образцов.
При этом применялись восемь известных моделей электрической проводимости, среди которых ток, ограниченный пространственным зарядом (ТОПЗ), показал наиболее реалистичные результаты. С помощью модели ТОПЗ ученые смогли теоретически предсказать параметры мемристоров, которые могут стать новым типом памяти.
Эта модель позволяет более точно определить электрическое напряжение и переключение, а также прогнозировать токи в зависимости от химического состава, толщины слоев диэлектриков и других параметров.
Накладывая различные модели на измеренные вольтамперные зависимости, они смогли точно определить энергию и концентрацию ловушек, участвующих в процессе транспорта заряда.
В ходе исследования образцов с различным соотношением оксида германия и оксида кремния была выявлена зависимость, согласно которой с увеличением доли оксида кремния уменьшается глубина ловушек.
При этом концентрация ловушек оставалась практически без изменений, что является важным для подтверждения валидности модели.
Если бы выявленные изменения были более значительными, это могло бы поставить под сомнение применимость модели к экспериментальным данным.
По словам младшего научного сотрудника Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ, результаты исследования позволяют теоретически определять параметры мемристоров без необходимости выращивания наноструктур.
Важным аспектом является использование модели «ТОПЗ», которая демонстрирует, что в пленках кремний-германиевых оксидов она также применима.
Это открывает возможности для предсказания параметров будущих устройств и регулирования характеристик выращиваемых образцов.
Исследование имеет огромную ценность для науки, так как впервые в мире определены механизмы транспорта в таких пленках.
Также практическая значимость очевидна: цель состоит в создании германо-силикатных стекол, которые смогут составить конкуренцию традиционным флеш-памятям по долговечности и надежности.
С развитием технологий флеш-память достигла своего предела: максимальное количество циклов перезаписи, продолжительность использования и объемы памяти больше не могут быть значительно увеличены.
В связи с этим для преодоления существующих ограничений перспективным направлением становится использование нового типа памяти, называемого мемристором. Мемристоры имеют ряд преимуществ перед флеш-памятью, особенно в плане циклов перезаписи.
В то время как флеш-память обеспечивает максимум 106 циклов, мемристоры способны предложить до 1012 циклов. Более того, время одного цикла перезаписи у мемристоров значительно меньше: если для флеш-памяти оно измеряется долями микросекунд, то для мемристоров — десятками наносекунд или даже пикосекунд, что в тысячи раз быстрее. Это значит, что использование мемристоров может сделать память более эффективной и высокоскоростной.
Ко всему прочему, технологический прогресс приводит к появлению новых решений в разных сферах. Например, компания Microsoft столкнулась с проблемами из-за своего антивируса, что может негативно сказываться на производительности компьютеров.
С другой стороны, AMD активно конкурирует с Nvidia, стремясь занять более сильные позиции на рынке высоких технологий.
В дополнение к этому, в России разработаны новые материалы для создания элементов памяти следующего поколения, что открывает новые горизонты для инновационных устройств.
Qualcomm, в свою очередь, создает мощные ARM-процессоры, которые могут составить конкуренцию известным Intel и AMD.
Также стоит отметить значимость ИТ-безопасности, где современные компании предлагают разнообразные решения для укрепления защиты своей инфраструктуры. Эти процессы демонстрируют, как быстро меняется мир технологий и какие новые возможности открываются перед нами благодаря инновациям.
