Auswirkung der Jouleschen Erwärmung auf die ohmsche Schaltcharakteristik in AlOx-Zellen, die durch thermische Oxidationsbildung hergestellt werden

Hintergrund

Resistiv schaltender Direktzugriffsspeicher (RRAM) hat als einer der vielversprechendsten Kandidaten für nichtflüchtige Speicher der nächsten Generation große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3,4]. Im Vergleich zu herkömmlichen kommerzialisierten Flash-Speichern und anderen aufkommenden nichtflüchtigen Speichern hat der RRAM-Baustein eine einfache Struktur (MIM), eine schnelle Schreib-/Löschgeschwindigkeit und eine ausgezeichnete Ausdauer- und Aufbewahrungsleistung [5,6,7,8]. Als eines der resistiven Schaltmaterialien, die mit der herkömmlichen komplementären Metalloxid-Halbleitertechnologie kompatibel sind, ist AlO_x -basierter RRAM wurde ebenfalls umfassend untersucht und bietet aufgrund seiner Mehrebenenspeicherfähigkeit und Selbstkorrektur ein attraktiveres Anwendungspotenzial [9, 10]. Im Allgemeinen werden bei Metalloxid-Vorrichtungen zwei Schaltarten beobachtet:(1) unipolares Schalten, das nicht von der Polarität der angelegten Spannung abhängt, und (2) bipolares Schalten, das von der Polarität der angelegten Spannung abhängt. Ihre inhärenten Schaltmechanismen sind unterschiedlich. Viele Faktoren können die Art des ohmschen Schaltens beeinflussen, wie z. B. die Gerätestruktur, Elektrodenmaterialien und Programmierstrom [11]. Die Koexistenz von unipolarem und bipolarem Schalten wurde in einigen Metalloxidmaterialien wie HfO₂ . berichtet , NiO und ZnO [12,13,14,15,16]. Das Verhalten des bipolaren Widerstandsschaltens (RS) hängt mit der Bildung/dem Bruch von leitfähigen Filamenten zusammen, die aus Sauerstoffleerstellen bestehen. Das unipolare RS-Verhalten ist oft auf eine thermische Beschädigung des leitfähigen Filaments oder einen Phasenstrukturübergang zurückzuführen. Das bipolare RS-Verhalten wird normalerweise bei AlO_x . beobachtet -basierter RRAM. Die Koexistenz von unipolarem und bipolarem Verhalten bei AlO_x Über RRAM wurde selten berichtet, und der physikalische Schaltmechanismus beim unipolaren RS-Verhalten ist immer noch nicht geklärt.

In diesem Papier berichten wir über die Koexistenz des unipolaren und bipolaren RS-Verhaltens in AlO_x -basierter RRAM. Durch das Studium der Widerstandsschalteigenschaften von unipolarem und bipolarem Schalten für verschiedene Compliance-Ströme wird Joule-Heizung verwendet, um den Bruch von leitfähigen Filamenten beim Reset-Prozess des unipolaren RS-Verhaltens zu erklären. Wenn die lokale Temperatur im Inneren leitfähiger Filamente die kritische Temperatur erreicht, werden die leitfähigen Filamente gebrochen und es tritt das unipolare RS-Verhalten auf. Darüber hinaus wird für das bipolare RS-Verhalten die Verwendung von Joule-Erwärmung vorgeschlagen, um das Zerreißen leitfähiger Filamente beim Rücksetzprozess zu unterstützen. Die Wirkung der Jouleschen Erwärmung lässt sich gut verifizieren, indem das Gerät bei unterschiedlichen Temperaturen aufgestellt wird. Der Leistungseffekt bei verschiedenen Temperaturen für AlO_x RRAM wird ebenfalls untersucht. Die Stabilität und Kontrollierbarkeit des RS-Verhaltens ist für die zukünftige Anwendung von RRAM-Arrays wesentlich. Ein tieferes Verständnis der Wirkung der Jouleschen Erwärmung beim Widerstandsschaltprozess ist wichtig und notwendig. Darüber hinaus untersuchen wir den Leitfähigkeitsmechanismus anhand der Temperaturabhängigkeit des Stroms für den hochohmigen Zustand (HRS) und den niederohmigen Zustand (LRS).

Methoden

Die resistiven Schaltspeicherbausteine ​​basierend auf AlO_x werden nach folgendem Verfahren hergestellt. Das schematische Diagramm ist in Abb. 1(a)–(d) gezeigt. Al und Pt werden nacheinander mit einer Lochmaske auf die Oberfläche des ITO-Glassubstrats gesputtert, um kreisförmige Flecken mit einem Durchmesser von 200 &mgr;m zu bilden. Die das Al bedeckende Pt-Schicht kann verwendet werden, um eine Oxidation der Al-Oberfläche während des folgenden Glühprozesses zu vermeiden. Das Gerät wird bei 400 °C für 4 h im Vakuum getempert. Als Referenz dient eine ungetemperte Probe. Die Querschnittsaufnahme des Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt die Struktur des Geräts. Eine Dreischichtstruktur der getemperten Pt/Al/ITO-Vorrichtung ist im Einschub von Fig. 1(e) gezeigt. Die oberste Schicht ist eine Pt-Elektrode (~ 66 nm). Die mittlere Schicht ist eine getemperte Al-Schicht (~~256 nm). Die untere Schicht ist eine ITO-Elektrode (~ 161 nm). Die Mikrostruktur des Geräts wird durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) analysiert. Die Verteilung der Elemente wird durch die Verwendung von energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) auf derselben Ausrüstung erhalten. Der I-V-Test wird mit dem Agilent B1500A Halbleiter-Parameteranalysator im DC-Sweep-Modus bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Temperaturabhängigkeit der I-V-Kennlinie wird im Lake Shore CRX-4K-System unter einem Vakuum von 5 × 10 ^–5 . erfasst Torr.

Ein schematisches Diagramm des Herstellungsprozesses. (a ) ITO/Glas-Substrat. (b ) Abscheidung der Al-Elektrode durch Sputtern. (c ) Pt bedeckt die Al-Elektrode. (d ) Bildung des AlO_x Grenzschicht durch Tempern bei 400 °C im Vakuum. (e ) REM-Aufnahme des getemperten Pt/Al/ITO-Bauelements. Die Dicken von Pt, Al und ITO betragen ungefähr 66 nm, 256 nm bzw. 161 nm

Ergebnisse und Diskussion

Um die Mikrostrukturänderungen nach dem Tempern der Pt/Al/ITO-Bauelemente zu überprüfen, wird HRTEM verwendet, um den Bereich zwischen den Al- und ITO-Glassubstraten zu überprüfen. Die Abbildungen 2a und b zeigen die ungetemperten bzw. getemperten Proben. Im Vergleich zur ungetemperten Probe wird in der getemperten Probe nach 4 h eine deutliche Grenzschicht gefunden. Die Dicke der Zwischenschicht beträgt ~ 20 nm. Die EDX-Spektren werden verwendet, um die Elementverteilung zwischen Al und ITO zu identifizieren, wie in Abb. 2c gezeigt. An der Grenzfläche der Al/ITO-Grenzfläche trat während des Glühprozesses eine offensichtliche Diffusion von Sauerstoffatomen auf. Andere Elemente (In, Sn) zeigen keine signifikante Diffusion in den EDX-Spektren. Im Vergleich zu anderen Metallen hat Al eine niedrigere freie Gibbs-Standardenergie (− 1582.9 KJ/mol), um die entsprechenden Metalloxide zu bilden [17]. Wir folgern, dass die Schnittstelle AlO_x während des Glühprozesses gebildete Schicht.

a HRTEM-Querschnittsbild des ungetemperten Pt/Al/ITO. b HRTEM-Querschnittsbild der getemperten Probe nach 4 h. Eine Grenzschicht wird gebildet. c Die energiedispersiven Röntgenspektren (EDX) von fünf Elementen (Al, O, In, Sn und Si)

Abbildung 3a zeigt die Strom-Spannungs-(I-V)-Kennlinie der ungetemperten Probe. Es wird kein Widerstandsschaltverhalten beobachtet, was mit den ungetemperten TEM-Ergebnissen übereinstimmt. Kein AlO_x Widerstandsschaltschicht gebildet wird. Der Einschub zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Messung. Bei der I-V-Messung wird die Spannung an die obere Elektrode (Pt) angelegt und die untere Elektrode (ITO) geerdet. Die getemperten Bauelemente werden ebenfalls unter den gleichen Bedingungen gemessen. Das getemperte Gerät zeigt die Koexistenz des unipolaren und bipolaren RS-Verhaltens. Die beiden RS-Verhalten können unabhängig voneinander aktiviert werden. Abbildung 3b zeigt 50-Zyklus-Sweep-Kurven des unipolaren RS-Verhaltens. Der Compliance-Strom ist auf 10 mA eingestellt, um einen harten Ausfall der Geräte während des Einstellvorgangs zu vermeiden. Die Pfeile zeigen die Wobbelrichtung der Spannung an. Ein positiver Spannungsdurchlauf (0 V → 3,5 V) wird an die Pt-Elektrode angelegt. Das Gerät wechselt von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand (Einstellvorgang oder Programmiervorgang). Danach bewirkt ein weiterer Spannungsdurchlauf (0 V → 1 V) eine abrupte Stromreduzierung, wobei der Compliance-Strom entfernt wird. Das Gerät wechselt in den HRS (Reset-Vorgang oder Löschvorgang). Es ist keine offensichtlich größere Formierspannung erforderlich, um die Vorrichtung zu aktivieren. Der Einschub zeigt die 80-Zyklen-Ausdauereigenschaften und das Verhältnis von R _an /R _aus ist ungefähr 10 ³ unter Verwendung einer Lesespannung von 0,1 V. Abbildung 3c zeigt das bipolare RS-Verhalten. Das RS-Verhalten wird bei entgegengesetzter Spannungspolarität beobachtet. Die Wobbelspannungen zum Setzen und Zurücksetzen folgen der Sequenz von 0 V → +3,4 V → 0 V → −  2,5 V → 0 V. Das Gerät schaltet von HRS auf LRS um, wenn eine positive Vorspannung an die obere Pt-Elektrode angelegt wird. Dann wird es unter einer negativen Vorspannung zurück zum HRS geschaltet. Ähnlich wie im unipolaren Fall wird kein offensichtlicher Galvanoformungsprozess beobachtet. Der Einschub zeigt die Ausdauereigenschaften für 150 Zyklen. Das Verhältnis von R _an /R _aus ist ungefähr 10 ³ mit einer Lesespannung von 0,1 V.

a Die I-V-Kurve für das ungetemperte Pt/Al/ITO-Bauelement. Der Einschub zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Messung. Die obere Pt-Elektrode ist die angelegte Vorspannung, und das ITO ist geerdet. b Die 50-Zyklen-I-V-Kurve für unipolares Schalten (4 h getempert). Die gestrichelte Linie bezeichnet den Compliance-Strom Icc =10 mA. Die rote Linie zeigt den ersten Setzprozess und Resetprozess an. Die Pfeile zeigen die Wobbelrichtung der Spannung an. Die Lesespannung beträgt 0,1 V. Der Einschub zeigt die Lebensdauerkennlinie. c Die 50-Zyklen-I-V-Kurve für bipolares Schalten (getempert für 4 h). Der Einschub zeigt die Dauerlaufeigenschaften. Die Lesespannung ist auf 0,1 V

Im Allgemeinen wird das bipolare RS-Verhalten häufig bei AlO_x . beobachtet -basierte RRAM-Geräte. Der bipolare Schaltmechanismus beruht auf der Bildung/Zerstörung von leitfähigen Filamenten, die aus Sauerstoffleerstellen bestehen [11, 16]. Wenn an die obere Elektrode eine positive Spannung angelegt wird, werden die Sauerstoffionen (O ²⁻ ) wandern zur oberen Elektrode und hinterlassen Sauerstoffleerstellen. Sauerstoffleerstellen werden akkumuliert, um die leitfähigen Filamente zu bilden. Das Gerät schaltet auf den LRS um. Wenn eine negative Spannung an die obere Elektrode angelegt wird, werden die Sauerstoffionen zurück zu AlO_x . extrahiert und die leitfähigen Filamente reißen. Der bipolare Schaltmechanismus ist mit dem elektrochemischen Mechanismus verwandt. Setzvorgang und Rücksetzvorgang erfolgen jedoch mit gleicher Spannungspolarität für das unipolare Schaltverhalten. Das unipolare Widerstandsschalten wird durch einen thermischen Durchbruch des leitfähigen Filaments ausgelöst. Der Schaltmechanismus wird durch einen thermischen Mechanismus in anderen RRAM-Bausteinen erklärt [16]. Um zu überprüfen, ob die Joulesche Erwärmung das unipolare Schaltverhalten in AlO_x . berücksichtigt RRAM, ein anderer Compliance-Strom wird verwendet, um den Stromfluss durch das Gerät zu steuern.

Abbildung 4a zeigt die I-V-Kennlinie des bipolaren Schaltverhaltens für verschiedene Compliance-Ströme. Der Widerstand des leitfähigen Filaments kann durch den eingestellten Nachgiebigkeitsstrom gesteuert werden. Ein niedrigerer Widerstand des LRS (Icc =10 mA, R_LRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, R_LRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, R_LRS ~ 8 KΩ) kann durch Erhöhen des Nachgiebigkeitsstroms erreicht werden. Der Widerstand im LRS (R _LRS ) variiert von zehn Ohm bis zu Tausenden von Ohm bei verschiedenen Compliance-Strömen. Die verschiedenen R _LRS Werte beziehen sich auf die Bildung unterschiedlicher leitfähiger Filamentgrößen bei unterschiedlichen Nachgiebigkeitsströmen. Die Joulesche Erwärmung nimmt mit abnehmender Filamentgröße ab [18]. Insbesondere wenn der Nachgiebigkeitsstrom Icc =100 uA und Icc =1 mA ist, wird während des Rücksetzvorgangs im bipolaren RS-Verhalten ein allmählicher Rücksetzvorgang beobachtet, der sich von dem abrupten Rücksetzen bei Icc =10 mA unterscheidet. Das allmähliche Zurücksetzen wird durch den fortschreitenden Bruch des leitfähigen Filaments erklärt [19]. Das abrupte Zurücksetzen steht im Zusammenhang mit einem Bruch der Joule-Heizunterstützung [20]. Der Einfluss der Jouleschen Erwärmung auf das bipolare RS-Verhalten spiegelt sich in dem abrupten Reset-Prozess wider. Das bipolare RS-Verhalten kann als Kombination aus einem elektrochemischen Mechanismus und Joule-Erwärmung bei hohen Programmierströmen betrachtet werden [13, 21].

a Die I-V-Kurven des Bipolaren bei verschiedenen Compliance-Strömen:Icc =10 mA (gestrichelte Linie), Icc =1 mA (blaue Linie) und Icc =100 uA (grüne Linie). Der LRS-Widerstand bei verschiedenen Compliance-Strömen bei 0,1 V (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b Die I-V-Kurven des unipolaren Verhaltens bei verschiedenen Compliance-Strömen:Icc =10 mA (gestrichelte Linie), Icc =1 mA (blaue Linie) und Icc =100 uA (schwarze Linie)

Abbildung 4b zeigt die unipolaren Kennlinien bei verschiedenen Compliance-Strömen (Icc =10 mA, Icc =1 mA und Icc =100 uA). Das unipolare Schalten wird nur bei einem Compliance-Strom Icc =10 mA und 1 mA beobachtet. Im Vergleich zur Rücksetzspannung des Compliance-Stroms Icc =10 mA innerhalb von 1 V wird die Rücksetzspannung (Icc =1 mA) offensichtlich über 1,5 V erhöht und der Rücksetzstrom sinkt um ungefähr zwei Größenordnungen (~ 724 uA) nach dem Vorgang zurücksetzen. Der Stromwert nach dem Rücksetzvorgang nähert sich dem Compliance-Strom an. Das Gerät kann nicht in den Ausgangszustand (~ 100 KΩ) zurückgesetzt werden. Russoet al. schlug die kritische Temperatur vor (T _krit ) für den unipolaren Reset-Prozess im selbstbeschleunigten thermischen Auflösungsmodell [22]. Wenn die Temperatur im Inneren des leitfähigen Fadens den kritischen Wert unter einer angelegten Rücksetzspannung zwischen den beiden Elektroden erreicht, wird der leitfähige Faden aufgelöst und im Rücksetzzustand zerbrochen. Der Funktionszusammenhang zwischen kritischer Temperatur, Spannung, Strom und Widerstand kann wie folgt beschrieben werden:

T ₀ ist Raumtemperatur, R _te ist der effektive Wärmewiderstand des leitfähigen Filaments, das eine schwächere Größenabhängigkeit hat, und die elektrische Leistung kann als P . geschrieben werden _{zurücksetzen} = V _{zurücksetzen} · ich _{zurücksetzen} . Für den niedrigeren Compliance-Strom Icc =1 mA wird eine größere Rücksetzspannung benötigt. Wenn der heißeste Punkt des leitfähigen Filaments die kritische Temperatur erreicht, verschlechtert sich die thermische Stabilität des leitfähigen Filaments. Die leitfähigen Filamente reißen anschließend. Dann tritt das unipolare RS-Verhalten auf. Der LRS-Strom ist jedoch kleiner für den Compliance-Strom Icc =100 uA. Selbst wenn die Rücksetzspannung ansteigt, hat der Stromwert Schwierigkeiten, den Strompegel bei dem größeren Übereinstimmungsstrom (Icc =1 mA und Icc =10 mA) zu erreichen. Die erzeugte Joulesche Wärme reicht nicht aus, um die kritische Temperatur zu erreichen. Somit wird kein unipolares RS-Verhalten beobachtet. Wird die Rücksetzspannung weiter erhöht, kann das Gerät brechen. Daher wird das unipolare RS-Verhalten durch die Joulesche Erwärmung in AlO_x . angetrieben RRAM.

Zur weiteren Untersuchung des Einflusses der Jouleschen Erwärmung auf das RS-Verhalten werden die Geräte bei unterschiedlichen Temperaturen aufgestellt. Während des Setzvorgangs wird der Compliance-Strom Icc =10 mA verwendet. Die I-V-Kurven des bipolaren Verhaltens sind in Abb. 5a dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass sich der abrupte Reset-Prozess in einen allmählichen Reset-Prozess mit sinkender Temperatur bis auf 40 °K umwandelt. Im Vergleich zu 300 °K und 340 °K kann die Joule-Erwärmung bei 40 °K gut verteilt werden. Die Wirkung der Joule-Erwärmung kann auf ein Minimum reduziert. Somit spielt der elektrochemische Mechanismus beim Rücksetzvorgang eine große Rolle für das bipolare Schaltverhalten. Der allmähliche Reset-Prozess wird durch einen teilweise gerissenen leitfähigen Faden erklärt. Das Gerät kann nicht mit derselben Resetspannung in den Grundzustand zurückgesetzt werden. Dieses Phänomen wird auch bei anderen Metalloxidmaterialien beobachtet [23]. Die Abbildungen 5b und c zeigen die statistische Verteilung von Betriebsstrom (HRS, LRS) und Spannung (SET, RESET) beim bipolaren Schalten bei unterschiedlichen Temperaturen. Offensichtlich nimmt der HRS-Strom mit steigender Temperatur ab. Außerdem steigt die SET-Spannung mit steigender Temperatur. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Joulesche Erwärmung das Brechen der leitfähigen Filamente beeinflusst. Wenn die Temperatur erhöht wird, verbleiben weniger leitfähige Filamente im AlO_x Widerstandsschaltschicht während des Reset-Prozesses. Mehr isolierende hochohmige Zustände werden erhalten. Die SET-Spannung steigt offensichtlich an. Der LRS-Strom nimmt mit steigender Temperatur leicht zu, was dem charakteristischen Transport eines Halbleiters entspricht. Abbildung 5d zeigt die I-V-Kennlinie des unipolaren Verhaltens bei verschiedenen Temperaturen. Im Vergleich zu 300 K und 340 K kann das Gerät aufgrund der Wärmeableitung nicht in den Ausgangszustand bei 40 K zurückgesetzt werden. Die Temperatur im Inneren des leitfähigen Filaments erreicht nicht die kritische Temperatur. Der leitfähige Faden kann nicht vollständig gerissen werden. Beim Einhaltungsstrom Icc =10 mA (blaue gestrichelte Linie) kann das Gerät nicht wieder auf LRS umschalten. Die Abbildungen 5e und f zeigen die statistische Verteilung von Betriebsstrom (HRS, LRS) und Spannung (SET, RESET) bei unipolarem Schalten bei unterschiedlichen Temperaturen. Ebenso werden mit steigender Temperatur ein höherer HRS-Strom und eine größere SET-Spannung beobachtet. Daher wird die Joulesche Erwärmung als wesentlich für das unipolare RS-Verhalten angesehen.

a Die I-V-Kurven des bipolaren Verhaltens bei verschiedenen Temperaturen (40 K (blaue Linie), 300 K (rote gestrichelte Linie) und 340 K (grüne Linie)) bei einem Compliance-Strom Icc =10 mA. b Statistisches Ergebnis des HRS- und LRS-Stroms für 20 bipolare Schaltzyklen bei unterschiedlichen Temperaturen (40 K, 300 K und 340 K). c Statistisches Ergebnis der SET- und RESET-Spannung für 20 bipolare Schaltzyklen bei unterschiedlichen Temperaturen (40 K, 300 K und 340 K). d Die I-V-Kurven des unipolaren Verhaltens bei verschiedenen Temperaturen (40 K (blaue Linie), 300 K (rote gestrichelte Linie) und 340 K (grüne Linie)) bei einem Compliance-Strom Icc =10 mA. Die blau gepunktete Linie zeigt den nächsten Setzvorgang nach dem Rücksetzvorgang an. e Statistisches Ergebnis des HRS- und LRS-Stroms für 20 unipolare Schaltzyklen bei unterschiedlichen Temperaturen (300 K und 340 K). f Statistisches Ergebnis der SET- und RESET-Spannung für 20 unipolare Schaltzyklen bei unterschiedlichen Temperaturen (300 K und 340 K)

Für eine bessere Untersuchung des Leitungsmechanismus schätzen wir den Schaltmechanismus vorläufig durch Anpassen der I-V-Kurve. Die I-V-Kurve wird in einem doppellogarithmischen Plot erneut aufgetragen, wie in Fig. 6a gezeigt. Der LRS zeigt ein ohmsches Leitverhalten mit einer Steigung nahe 1, was wahrscheinlich durch die Bildung leitfähiger Filamente verursacht wird [24]. Die HRS lässt sich in zwei Bereiche unterteilen:Im Niederspannungsbereich (< 0,4 V, Bereich 1) wird das ohmsche Leitungsverhalten beobachtet, während im Hochspannungsbereich (> 0,4 V, Bereich 2) die Steigung nahe 2. Das Transportverhalten stimmt mit der raumladungsbegrenzten Leitung (SCLC) überein [25]. Im SCLC-Modell beträgt die Stromdichte J für Fallen-gesteuerte SCLC-Emissionen kann beschrieben werden als

a Lineare Anpassung für die I-V-Kurven unter Verwendung einer log-log-Skala im positiven Bias. b Temperaturabhängigkeit des Stroms für das HRS von 250 K bis 340 K. c Die Aktivierungsenergie E _α bei unterschiedlichen Spannungen zusammengefasst. Der Einschub zeigt einen Arrhenius-Plot der aktuellen Temperaturdaten bei verschiedenen Spannungen im HRS. d Temperaturabhängigkeit des Stroms für den LRS von 250 K bis 340 K. e Das Verhältnis der Leitfähigkeit ln I zur Temperatur T ^−1/4 . Die Lesespannung beträgt 0,1 V. f Die Aktivierungsenergie E _α =9,93 meV wird berechnet

wo q ist die Elementarladung, n ₀ sind die thermisch erzeugten freien Ladungsträger, μ ist die Elektronenbeweglichkeit, ε _r ist die statische Dielektrizitätskonstante, ε ₀ ist die Permittivität des Raumes, θ ist das Verhältnis der freien Ladungsträgerdichte zur Gesamtladungsträgerdichte, V ist die angelegte Spannung und d ist die Filmdicke. In Region 1 (niedrige angelegte Spannung), entsprechend dem Ohmschen Gesetz (I V ¹ ) kann eine kleine Anzahl von Trägern aufgrund thermischer Anregung erzeugt und aus dem Valenzband oder dem Störstellenniveau in diesem Bereich in das Leitungsband angeregt werden. Wenn die angelegte Spannung ansteigt, werden die injizierten Ladungsträger eingefangen. Die Leitung wird raumladungsbegrenzt. Der Strom des HRS folgt einem quadratischen Gesetz (I V ² ) im Bereich 2. Abbildung 6b zeigt die Temperaturabhängigkeit des HRS-Stroms. Der Strom nimmt mit steigender Temperatur zu, was auf ein halbleiterähnliches Leitungsverhalten schließen lässt [26, 27]. Aus den Steigungen der Arrhenius-Typ-Plots der Daten (der Einschub von Abb. 6c) wird die Aktivierungsenergie (E _α ) von 0,01 V bis 2 V ist wie in Fig. 6c zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigen, dass E _α ist im Niederspannungsbereich relativ hoch (~ 0,15 eV) und zeigt ein ohmsches Leitungsverhalten. Wenn die Spannung steigt, E _α nimmt ab, was ein charakteristisches Merkmal von SCLC ist [28]. Die temperaturabhängigen I-V-Analysen unterstützen eindeutig den SCLC-Überleitungsmechanismus im HRS.

Abbildung 6d zeigt, dass der Strom des LRS mit steigender Temperatur leicht ansteigt, was ein halbleiterähnliches Leitverhalten zeigt. Metallleitfäden sind ausgeschlossen. Abbildung 6e zeigt eine lineare Beziehung zwischen ln (I) und T ^−1/4 , was darauf hindeutet, dass der Mechanismus des LRS dem Mott-Modell des variablen Bereichssprungs folgt [29, 30]. Wenn die Energieniveaus zweier lokalisierter Zustände nahe genug beieinander liegen und sich die Wellenfunktionen überlappen, können Elektronen, unterstützt durch thermische Energie, zwischen den beiden Orten hüpfen. Der Wert der Aktivierungsenergie E _α beträgt 9,93 meV für das LRS, wie in Abb. 6f gezeigt, was kleiner ist als 26 meV (die Aktivierungsenergie bei Raumtemperatur). Dieser Wert gewährleistet das variable Reichweitenspringen der Elektronen bei Raumtemperatur. Bei anderen Metalloxid-Halbleitern wird der Hopping-Mechanismus auch im LRS beobachtet, und die I-V-Kurvenanpassung zeigt das ohmsche Leitfähigkeitsverhalten bei Raumtemperatur [31]. Somit hängt der Widerstandsschaltmechanismus im LRS mit Sauerstoffleerstellen in den leitfähigen Filamenten zusammen.

Abbildung 7 veranschaulicht die unipolaren und bipolaren Widerstandsschaltmodelle. Für das unipolare und bipolare RS-Verhalten im Set-Prozess wandern Sauerstoffionen unter einem elektrischen Feld zur oberen Elektrode. Schließlich werden die Sauerstoffionen reduziert, wodurch Sauerstoff-Leerstellen im AlO_x . zurückbleiben Widerstandsschaltschicht. Eine große Ansammlung von Sauerstoffleerstellen bildet sauerstoffleitende Filamente zwischen den ITO- und nichtoxidierten Al-Schichten. Das Gerät ist auf LRS eingestellt. Die Elektronen hüpfen durch den leitfähigen Faden, der aus Sauerstoffleerstellen besteht, wie in Fig. 7(a) und (c) gezeigt. Für das unipolare RS-Verhalten im Reset-Prozess wird der Compliance-Strom entfernt. Die positive Vorspannung wird wieder angelegt und der Strom steigt mit steigender Spannung. Wenn der Punkt der höchsten Temperatur im Inneren des leitfähigen Filaments die kritische Temperatur erreicht, wird die Stabilität des leitfähigen Filaments schlechter und kann leicht brechen. Das Gerät schaltet auf HRS um, nachdem der leitfähige Faden zerstört wurde, wie in Fig. 7(b) gezeigt. Beim bipolaren RS-Verhalten wird eine negative Vorspannung an die obere Elektrode angelegt. Sauerstoffionen werden zurück in das AlO_x . extrahiert Schnittstellenschicht. Die leitfähigen Filamente reißen, wie in Fig. 7(d) gezeigt. Das Gerät wird auf die HRS zurückgesetzt. Wenn der Rücksetzstrom relativ größer ist, verbessert die Joulesche Erwärmung den Reißprozess des leitfähigen Filaments. Es erscheint ein abrupter Übergang im Rücksetzvorgang. Der Elektronentransportmechanismus im HRS wird in beiden RS-Verhalten vom SCLC-Mechanismus dominiert.

Schaltplan des AlO_x -basiertes RRAM-Gerät. (a ) Verfahren zum unipolaren Schalten bei positiver Spannung einstellen. Leitfähige Filamente bestehen aus Sauerstoff-Leerstellen. Die schwarzen Pfeile geben die Richtung der Elektronenwanderung an. (b ) Reset-Vorgang für unipolares Schalten unter positiver Spannung. Der leitfähige Faden wird durch Joulesche Erwärmung zerrissen. Elektronen werden durch Defekte eingefangen. Der leitfähige Mechanismus im HRS wird von SCLC dominiert. (c ) Verfahren zum bipolaren Schalten unter positiver Spannung einstellen. (d ) Reset-Vorgang für bipolares Schalten bei negativer Spannung. Die leitfähigen Filamente reißen

Schlussfolgerungen

In dieser Arbeit wird die Koexistenz des unipolaren und bipolaren Widerstandsschaltverhaltens in AlO_x . beobachtet -basierter RRAM. Durch die Untersuchung der Strom-Spannungs-Kennlinien des unipolaren und bipolaren Schaltens bei unterschiedlichen Compliance-Strömen und variierenden Arbeitstemperaturen schlagen wir vor, dass die Joulesche Erwärmung für das unipolare Widerstandsschaltverhalten in AlO_x . wesentlich ist -basierter RRAM. Wenn beim Rücksetzvorgang ein hoher Programmierstrom durch das leitfähige Filament fließt, erreicht die lokale Temperatur in den leitfähigen Filamenten die kritische Temperatur und die leitfähigen Filamente reißen. Es tritt ein unipolares RS-Verhalten auf. Beim bipolaren resistiven Schaltverhalten wird der Reset-Prozess nicht nur auf den elektrochemischen Mechanismus, sondern auch auf die Joulesche Erwärmung zurückgeführt. Thermisch führt zum Bruch des leitfähigen Filaments, wenn das Gerät einen hohen Löschstrom hat, was zu einem höheren Widerstand des HRS und einer größeren SET-Betriebsspannung in AlO_x . führt -basierter RRAM. Somit ist die Joulesche Erwärmung ein nicht zu vernachlässigender Faktor der RS-Leistung. Diese Ergebnisse werden uns helfen, den Einfluss der Jouleschen Erwärmung auf das Widerstandsschaltverhalten in AlO_x . zu verstehen -basierter RRAM. Außerdem wird der Leitfähigkeitsmechanismus untersucht. Der leitfähige Mechanismus für das LRS beruht darauf, dass die Elektronen durch leitfähige Pfade hüpfen. Beim HRS wird der leitfähige Mechanismus vom SCLC-Mechanismus dominiert.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten und Materialien stehen uneingeschränkt zur Verfügung.

Abkürzungen

RS:

Ohmsches Schalten

SCLC:

Raumladungsbegrenzte Leitung

RRAM:

Resistiv schaltender Direktzugriffsspeicher

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

HRTEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie