Ряд крупных компаний, специализирующихся в области электроники и полупроводников, такие, как Hewlett Packard, Intel и Samsung, производят интенсивные поиски новых технологий, которые придут на смену существующей энергонезависимой Flash-памяти. Самым перспективным кандидатом на это место считается мемристор и память на основе этих электронных компонентов, Resistive RAM (ReRAM или RRAM). Такая память использует в своей работе меньшее количество энергии и может обеспечивать высокую скорость чтения и записи информации, во много раз превышающие аналогичные показатели NAND Flash-памяти. Однако, результаты последних исследований указывают на то, что несмотря на первые попытки практического применения мемристоров, использующие их специалисты не совсем правильно понимают основные принципы их работы.
Фундаментальный механизм, лежащий в основе работы мемристора, называется несовершенным точечным контактом (imperfect point contact). Теория, лежащая позади этого механизма, была разработана в 1971 году, задолго до момента создания первых устройств на его основе. Когда к мемристорной ячейке прикладывается электрическое напряжение определенного потенциала и полярности, оно вызывает уменьшение электрического сопротивления ячейки, которое сохраняется и после того, как напряжение было снято. А использование напряжение меньшего потенциала позволяет измерить сопротивление ячейки, т.е. прочитать записанную в нее информацию. Прикладывание к ячейке напряжения обратной полярности приводит к восстановлению значения электрического сопротивления — к стиранию записанной в нее ранее информации.
За последнее десятилетие исследователи создали два типа мемристоров — память на основе электрохимической металлизации (electrochemical metallization memory, ECM) и память на основе механизма изменения валентности (valence change mechanism memory, VCM). В ECM-ячейках имеется активный медный электрод, атомы меди на поверхности которого окисляются в процессе записи в ячейку информации. Получающиеся ионы меди мигрируют через слой твердого электролита в сторону второго, платинового электрода. В результате этого процесса в объеме твердого электролита формируется нить из чистого металла, связывающая оба электрода, что приводит к снижению электрического сопротивления.
Исследовательская установка
В VCM-ячейках в результате воздействия «записывающего» напряжения возникают отрицательно заряженные ионы кислорода и положительно заряженные ионы металла. Ионы кислорода покидают пределы объема твердого электролита, способствуя формированию нити, состоящей из полупроводникового материала, которая опять же соединяет электроды мемристора, что опять приводит к снижению сопротивления.
Однако, исследования, проведенные группой из института Петера Грюнберга (Peter Grunberg Institute), Юлих, Германия, возглавляемой Ильей Валовым (Ilia Valov), показали, что в мемристорах происходят сложные процессы, которые стирают различия между ECM- и VCM-ячейками.
Группа Ильи Валова, работая совместно с учеными из Японии, Кореи, Греции и США, произвела исследования мемристоров, имеющих активный электрод из тантала и твердый электролит из окиси тантала. «Наши исследования показали, что в таком типе мемристора действуют одновременно оба механизма изменения сопротивления» — объясняет Илья Валов, — «В таких мемристорах мы имеем не просто кислородный тип изменения сопротивления, в нем задействованы перемещения атомов металла активного электрода».
Для выявления работы второго типа механизма, присущего ECM-ячейкам, исследователи нанесли тонкий слой окиси тантала поверх танталовой подложки. А в качестве второго электрода мемристора использовался наконечник сканирующего туннельного микроскопа. «Мы приложили к наконечнику соответствующее напряжение и зафиксировали факт возникновения металлической нити в вакуумном промежутке между пленкой и наконечником» рассказывает Валов, — «Такая металлическая нить может возникнуть лишь в том случае, если положительные ионы тантала мобильны и имеют возможность перемещаться в среде твердого электролита».
Проводя второй эксперимент, исследователи поместили часть структуры мемристора в оболочку из слоя аморфного углерода, который блокирует возможность перемещения ионов кислорода между танталовым электродом и электролитом из окиси тантала. Тем не менее, мемристор изменил свое сопротивление, что служит доказательством работы и второго типа механизма. Более того, точно такой же результат был получен, когда исследователи вместо аморфного углерода использовали графен, который блокирует перемещение ионов кислорода еще более качественно.
В скором времени ученые планируют проведение ряда дополнительных экспериментов, в которых будут использоваться различные материалы электродов и твердого электролита. Все это будет произведено с целью изучения эффекта подвижности ионов металлов, которые определяют значение сопротивления мемристорной ячейки. «А глубокое и всестороннее понимание происходящих процессов всегда приводит к созданию устройств, отличающихся высокими характеристиками и надежностью» — рассказывает Илья Валов.
