КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 22-22-00634

НазваниеВлияние легирующей примеси на атомную и электронную структуру оксида гафния и свойства мемристоров на его основе: первопринципное моделирование

Руководитель Перевалов Тимофей Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые слова оксид гафния, электронная структура, резистивный эффект памяти, ферроэлектрическая память, филамент, собственные дефекты, вакансии кислорода, легирующая примесь, квантово-химическое моделирование, теория функционала плотности

Код ГРНТИ29.19.24

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В настоящее время исследованиями, направленными на разработку универсальной памяти, сочетающей в себе достоинства оперативной памяти, жёстких дисков и флэш памяти, занимаются практически все лидеры в производстве полупроводниковых приборов памяти. Наиболее перспективным кандидатом на роль универсальной памяти является резистивная (мемристорная) память (Resistive random-access memory, RRAM). Принцип действия RRAM основан на обратимом изменении сопротивления тонкого диэлектрического слоя под действием импульса напряжения определённой величины и полярности. Одним из многообещающих материалов, используемых в качестве активной среды мемристора, как с точки зрения его функциональных свойств, так и совместимости со стандартными техпроцессами современной микроэлектроники, считается оксид гафния (HfO₂). Несмотря на широкий интерес к теме разработки RRAM, на сегодняшний день остаётся ряд дискуссионных вопросов и нерешённых задач. Одной из таких задач является построение детальной физической картины, описывающей различные по сопротивлению состояния мемристора и переходы между ними. Широко принятой является филаментарная модель переключения, основанная на генерации собственных дефектов в локальной области оксидного слоя под действием импульса электрического поля и нагрева этой области, формирующих проводящий канал диаметром 1 - 10 нм (филамент). Принято считать, что в RRAM на основе HfO₂, Ta₂O₅, SiO₂ и др. ключевыми дефектами, формирующими филамент, являются вакансии кислорода и работа такой памяти основывается на электрохимических реакциях окисления-восстановления. Естественно ожидать, что в формировании/разрыве филамента могут участвовать и междоузельные атомы кислорода, появляющиеся в результате формирования вакансий кислорода. Не исключено и участие междоузельных атомов металла (или атомы замещения металл-кислород), формирующих металлический кластер. Дефекты в диэлектрическом слое мемристоров играют ключевую роль в процессах деградации приборных характеристик и формовки - первого переключения структуры из исходного состояния в низкоомное. Деградация мемристоров ограничивает число циклов перепрограммирования, а формовка, необходимая для функционализации прибора, осуществляется при слишком высоком значении напряжения (более 3 В) и имеет стохастический характер. Формовка и деградация являются принципиальными проблемами на пути разработки RRAM матриц. Одним из экспериментально подтверждённых способов улучшения характеристик мемристоров на основе HfO₂, а именно увеличения надёжности и «окна» памяти (отношения величины тока в низко- и высокоомном состояниях), а также уменьшения напряжения формовки вплоть до напряжения последующих переключений, является легирование HfO₂ металлической примесью: Al, La, Y, Sc, Mg и др. Считается, что легирование оксида облегчает генерацию вакансий кислорода за счёт гетеровалентного характера замещения четырёхвалентного катиона гафния на атом примеси с меньшей валентностью. Для понимания роли легирующей примеси в механизмах резистивного переключения и формовки мемристора на основе HfO₂ необходимо изучение атомной и электронной структуры собственных дефектов и дефектных комплексов в нём. На сегодняшний день данная задача может быть решена с помощью первопринципного моделирования. Существующие теоретические работы по данной тематике основаны на использовании заданных произвольно модельных атомных структур легированного оксида. В некоторых случаях это приводит к противоречивым результатам, но чаще всего полученные данные обладают слабой предсказательной силой, в сущности, лишь качественно подтверждая известные экспериментальные факты. Для получения надёжных теоретических данных, подтверждающих эксперимент количественно, и на основе которых возможно прогнозирование новых экспериментальных результатов, необходимо определение оптимальной и наиболее вероятной структуры легированного HfO₂. Кроме того, предшествующие исследования легированного HfO₂ ограничены рассмотрением только вакансий кислорода в легированном оксиде, причём преимущественно в нейтральном состоянии. Таким образом, квантово-химическое моделирование атомной и электронной структуры собственных дефектов и дефектных комплексов, способных формировать филамент в легированном HfO₂, является актуальной задачей. Настоящий проект посвящен теоретическому исследованию с позиции первопринципного моделирования влияния легирующей примеси (Al, La, Y) в оксиде гафния на способность собственных дефектов формировать проводящий канал и выступать в качестве филамента в элементах резистивной памяти. Задача включает в себя нахождение оптимальной с точки зрения энергетической выгодности атомной структуры HfO₂, легированного Al, Y, La; установление влияния легирующей примеси на формирование и кластеризацию вакансий, междоузельных атомов кислорода; изучение электронной структуры дефектов и их комплексов различного размера и взаимного расположения; выяснение способности дефектных комплексов формировать проводящий филамент. Знание атомной и электронной структуры собственных дефектов и дефектных комплексов в легированном HfO₂ позволит установить в какой мере и при каких условиях они участвуют в формировании проводящего филамента, а также возможный механизм влияния легирующей примеси на процессы резистивного переключения и формовки. Моделирование будет проводиться в рамках теории функционала плотности, реализованной в программном пакете Quantum ESPRESSO, с использованием гибридных обменно-корреляционных функционалов, дающих корректное значение ширины запрещённой зоны диэлектриков. Атомная структура HfO₂, легированного Al, Y, La, а также дефектов и дефектных комплексов в нём будет определяться по принципу минимума энергии формирования путём перебора всех возможных неэквивалентных позиций в суперячейке. Дефекты будут моделироваться в различных кристаллических фазах HfO₂. Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть востребованы при создании теоретических моделей элементов резистивной памяти, необходимых для разработки RRAM-матриц, а также для корректной интерпретации экспериментальных данных. Кроме того, они дадут представления о возможной кинетике образования и накопления дефектов в процессах обратимого переключения и формовки мемристорных структур, а также могут позволить сформулировать рекомендации по легированию HfO₂ для получения мемристоров с оптимальными для конкретных целей параметрами.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---