Einfluss von Ag-Dotierung in HfOₓ-Dünnschichten auf das Schwellenwertschaltverhalten

Zusammenfassung

Ein Sneak-Path-Strom – ein Strom, der durch eine benachbarte Speicherzelle fließt – ist ein inhärentes und unvermeidbares Problem in einem Kreuzschienenarray aus Memristor-Speicherzellen. Dieses ernste Problem kann durch serielle Verbindung eines Selektorbauteils mit jeder Memristorzelle gemildert werden. Unter den verschiedenen Selektorkonzepten hat der diffusive Selektor aufgrund seiner hervorragenden Leistung erhebliche Aufmerksamkeit erregt. Dieser Selektor nutzt ein flüchtiges Schwellenwertschalten (Threshold Switching, TS) basierend auf der Dynamik aktiver Metalle wie Ag oder Cu, die als Elektrode oder Dotierstoff im festen Elektrolyten fungieren. In dieser Studie wurde ein diffuser Selektor auf Basis von Ag-dotiertem HfOₓ mittels Co-Sputtern hergestellt. Mit variierender Ag-Konzentration in der HfOₓ-Schicht wurden unterschiedliche elektrische Eigenschaften und damit TS-Charakteristiken beobachtet. Die Notwendigkeit des Elektroformierprozesses (EF) für die TS-Eigenschaft wird durch die geeignete Ag-Konzentration in der HfOₓ-Schicht bestimmt. Dieser Unterschied im EF-Prozess kann die Parameter der TS-Charakteristiken erheblich beeinflussen. Daher ist eine optimierte Dotierbedingung erforderlich, um ein hervorragendes Selektorverhalten zu erzielen und einen EF-Prozess zu vermeiden, der die Geräteleistung letztlich verschlechtern kann.

Einleitung

Widerstandsschaltende Speicher, auch Memristoren genannt, werden seit Jahrzehnten als vielversprechende Kandidaten für nichtflüchtige Speicher der nächsten Generation intensiv erforscht. Kürzlich wurden Memristor-Bauelemente auf künstliche Synapsen und Neuronen angewendet, die ihren Schaltmechanismus basierend auf Ionenmigration für hirninspiriertes Rechnen nachahmen [1,2,3]. Schnelle Schaltgeschwindigkeit (< 1 ns), extreme Skalierbarkeit (< 2 nm), ziemlich gute Ausdauer (bis zu 10¹¹ Programmier-/Löschzyklen) und dreidimensionale Stapelstrukturen wurden in einzelnen memristiven Systemen nachgewiesen [4,5,6]. Darüber hinaus können Bildverarbeitung und Mustererkennung durch den Aufbau großer Kreuzschienenarrays (CBA) realisiert werden [1, 3, 7, 8].

Eine CBA-Struktur weist jedoch ein inhärentes Problem auf: Ein Sneak-Path-Strom durch benachbarte Memristor-Speicherzellen stört die Schreib-/Lesevorgänge an der ausgewählten oder halbausgewählten Zelle [9,10,11]. Um den Sneak-Path-Strom und das Halbauswahlproblem zu unterdrücken, kann ein zweipoliges Selektorbauteil in Reihe mit jeder Speicherzelle geschaltet werden. Es gibt viele Arten von Selektorbauteilen mit nichtlinearen Strom-Spannungs-(I-V)-Kennlinien, wie Schottky-Dioden, Metall-Isolator-Übergänge (MIT), ovonische Schwellenwertschalter (OTS), Tunnelbarrierenselektoren und diffuse Selektoren (auch diffusive Memristoren genannt) [9,10,11,12,13,14,15]. Unter ihnen hat ein diffuser Selektor, basierend auf der diffusiven Dynamik von Metallarten (Ag oder Cu) innerhalb des Dielektrikums, aufgrund seiner einfachen Struktur und überlegenen Leistung, wie extrem hoher Nichtlinearität, großes Interesse geweckt [14,15,16,17,18,19,20,21,22]. Der diffuse Selektor weist ein flüchtiges Schwellenwertschalten (TS) auf, basierend auf der Bildung und Selbstruptur metallischer Filamente. Bisher wurden verschiedene diffuse Selektorsysteme und ihre dynamischen Eigenschaften berichtet; das Verständnis des zugrundeliegenden Betriebsmechanismus bleibt jedoch schwierig. Zudem ist es notwendig, die Konzentration und Verteilung der diffusiven Metallarten festzulegen, um eine hervorragende TS-Leistung zu erzielen, da diese die elektrischen Leitungs- und Übergangseigenschaften erheblich beeinflussen können.

Hier fertigten wir einen Pt/Ag-dotiertes-HfOₓ/Pt-Stapel als diffusen Selektor an, in dem Ag und HfOₓ als diffusionsfähiges Metall-Dotiermittel bzw. dielektrisches Material fungieren. Wir untersuchten die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente bei unterschiedlichen Dotierkonzentrationen, um die geeigneten Bedingungen für die TS-Charakteristik zu ermitteln. Elektroformier-bedürftige (EF-bedürftige) und elektroformier-freie (EF-freie) TS-Charakteristiken wurden durch die Dotierkonzentration in den diffusen Selektoren bestimmt. Um den Unterschied im Elektroformierprozess (EF) und den nachfolgenden TS-Charakteristiken zu erklären, führten wir strukturelle und chemische Analysen der diffusen Selektorbauteile durch. Unsere Studie deutet auf den Einfluss der Dotierkonzentration auf die TS-Charakteristiken des diffusen Selektors hin und gibt eine Richtung zur Verbesserung seiner Leistung vor.

Methoden

Abbildung 1a zeigt ein Co-Sputtersystem mit Ag- und HfO₂-Target. Wir fertigten Bauelemente an vier Positionen auf dem Substrat an, die jeweils 0,5 cm voneinander entfernt waren. Die Positionen lagen in der Reihenfolge Bauelement 1, 2, 3 und 4 (D1, D2, D3, D4) nahe dem HfO₂-Target, wie in Abb. 1a dargestellt. Die Ag-dotierte HfOₓ-Schaltlage aller Bauelemente wurde auf dem Pt/Ti/SiO₂/Si-Substrat durch Co-Sputtern mit einer Sputterleistung von 10 W für Ag und 150 W für HfO₂ abgeschieden. Vor dem Abscheidungsprozess wurde der Basisdruck der Vakuumkammer auf ~ 5 × 10⁻⁶ Torr evakuiert. Die Schaltlage wurde 5 Minuten ohne Substratrotation bei Raumtemperatur unter einem Ar-Gasfluss von 20 sccm abgeschieden, um das Ar-Plasma aufrechtzuerhalten. Der Prozessdruck betrug 10 mTorr. Anschließend wurde die obere Pt-Elektrode auf der abgeschiedenen Schaltlage mittels Schattenmaske (200 µm Durchmesser) durch Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht. Abbildung 1b und c zeigen das Querschnittsbild und das schematische Design des hergestellten Bauelements.

a Schematisches Diagramm eines Co-Sputtersystems. b Querschnitts-TEM-Bild des gefertigten Bauelements. c Schematisches Diagramm des Bauelements mit dem elektrischen Messsystem

Die Dicke der durch Co-Sputtern abgeschiedenen Schaltlage wurde mit einem Ellipsometer (FS-1, Film-Sense, USA) gemessen. Rutherford-Rückstreuspektrometrie (RBS; 6SDH-2, NEC, USA) und Röntgenfluoreszenzspektrometrie (XRF; ARL, Thermo Fisher Scientific, USA) wurden durchgeführt, um die atomare Zusammensetzung der Ag-dotierten HfOₓ-Schicht zu analysieren. Zur Bewertung der elektrischen Bauelementeeigenschaften wurde ein Halbleiter-Parameteranalysator (SPA; HP-4155A, Agilent, USA) bei Raumtemperatur verwendet. Alle Messungen erfolgten durch Anlegen einer Spannung an die obere Elektrode, während die untere Elektrode geerdet war (Abb. 1c). Die Bauelementoberfläche wurde mit einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM; JSM-6700F, JEOL, Japan) und einem Rasterkraftmikroskop (AFM; XE-100, Park Systems, Korea) analysiert. Querschnittsproben der Bauelemente wurden mittels Fokus-Ionenstrahl (FIB; Quanta 3D FEG, FEI, Niederlande) präpariert und mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM: JEM-2100F, JEOL, Japan) beobachtet. Die chemische Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Wir fertigten gleichzeitig vier Ag-dotierte HfOₓ-Bauelemente für diffuse Selektoren in einem einzigen Prozess. Während des Abscheidungsprozesses wurde das Substrat nicht rotiert, um den Einfluss der Dotierkonzentration auf die elektrischen Eigenschaften zu bestätigen. Tabelle 1 zeigt die Dicke, das Ag:Hf-Kationenverhältnis und die quadratische mittlere Rauheit (RMS) von D1, D2, D3 und D4. Die Ag-Zusammensetzung in der Schaltlage wurde als Kationenverhältnis aus den Mengen an Ag und Hf aus der XRF-Analyse ausgedrückt. Wie gezeigt, weist jedes Bauelement eine unterschiedliche Dicke und Ag-Konzentration auf. Mit zunehmendem Abstand vom HfO₂-Target nahm die Schaltlagendicke ab, während die Ag-Zusammensetzung in der Oxidschicht zunahm. Mit steigender Ag-Konzentration erhöhten sich die RMS-Rauheitswerte leicht (AFM-Bilder sind in Zusatzdatei 1: Abbildung S1 dargestellt).

Elektrische Eigenschaften der gefertigten Bauelemente. a I-V-Kurve von D1 (hochisolierender Zustand). b I-V-Kurve von D2, zeigt den EF-Prozess und nachfolgende TS-Verhalten. c I-V-Kurve von D3, zeigt TS-Verhalten ohne EF-Prozess. d I-V-Kurve von D4 (leitender Zustand)

Die Gleichstrom-Spannungs-(I-V)-Kennlinien aller Bauelemente sind in Abb. 2a–d dargestellt. D1 (35,3 nm, 7 % Ag) befand sich zunächst in einem hochisolierenden Zustand, und während der DC-Messungen wurde kein Schwellenwertschalten beobachtet (Abb. 1a), da die unzureichende Ag-Konzentration trotz der dicken Schaltlage keine leitfähigen Filamente bilden konnte. Im Gegensatz dazu zeigte D2 (27,3 nm, 16 % Ag) ein Schwellenwertschalten vom hochohmigen Zustand (HRS) in den niederohmigen Zustand (LRS) nach dem Elektroformierprozess (EF) im unberührten Zustand, um ein funktionsfähiges Bauelement zu erzeugen, wie in Abb. 1b dargestellt. Während des EF-Prozesses stieg der Strom von einem niedrigen Niveau an, um bei einer Spannung von −4,3 V den Compliance-Strom (I_cc) zu erreichen. Anschließend zeigte D2 kontinuierlich TS-Verhalten bei einer niedrigeren Betriebsspannung als der Formierspannung in beide Bias-Polaritäten. Ähnlich zeigte D3 (24 nm, 39 % Ag) ein typisches bidirektionales TS-Verhalten; der EF-Prozess war jedoch im unberührten Zustand von D3 nicht erforderlich. Mit anderen Worten, D3 zeigt EF-freies TS-Verhalten. Im Gegensatz dazu befand sich D4 (18,8 nm, 58 % Ag) aufgrund der hohen Ag-Konzentration vermutlich aufgrund von Ag-Perkolation innerhalb der dünnen HfOₓ-Schicht zunächst in einem hochleitenden Zustand.

Oberflächenmorphologie und Korngröße änderten sich mit steigender Ag-Konzentration. Wie bereits erwähnt, stiegen die RMS-Rauheitswerte mit zunehmender Ag-Konzentration an (Tabelle 1). Die Korngröße wurde ebenfalls mittels REM beurteilt (Zusatzdatei 1: Abbildung S2). Mit steigender Ag-Konzentration wurde eine Zunahme der Korngröße beobachtet. Im Fall von D2 und D3, die unterschiedliche TS-Charakteristiken aufweisen, war der Unterschied in der Oberflächenrauheit und Korngröße jedoch recht gering. Dennoch bestand ein erheblicher Unterschied in ihren elektrischen Eigenschaften hinsichtlich des EF-Prozesses und der nachfolgenden TS-Charakteristiken. Daher verglichen wir die TS-Charakteristiken von D2 und D3 wie folgt.

Abbildung 3a und b zeigen das wiederholbare TS-Verhalten, das bei D2 und D3 mittels DC-Messung beobachtet wurde. Zum Vergleich werden nur die TS-Charakteristiken bei negativer Bias in den Abbildungen gezeigt. Beide Bauelemente zeigten zunächst mehrere pA Strompegel bei −0,1 V unter der Nachweisgrenze. Das TS-Verhalten in D2 trat nach dem EF-Prozess bei einer Formierspannung von ~ −3,5 V auf, wobei ein Compliance-Strom (I_cc) von 5 µA eingestellt war, um einen harten Durchbruch zu verhindern. Nach dem EF-Prozess zeigte das Bauelement typisches TS-Verhalten wie in Abb. 3a dargestellt. Wenn die angelegte Spannung die Schwellenwertspannung (V_th) von ~ −1,1 V überschritt, stieg der Strom plötzlich auf I_cc = 5 µA an; das Bauelement schaltete vom AUS- in den EIN-Zustand. Allerdings kehrte der EIN-Zustand des Bauelements in den AUS-Zustand zurück, als die angelegte Spannung unter die Haltespannung (V_hold) fiel. Obwohl das Bauelement in den AUS-Zustand zurückkehrte, wurde ein höherer AUS-Strom beobachtet als vor dem EF-Prozess.

Vergleich der TS-Charakteristiken in D2 und D3. a TS-Verhalten mit erhöhtem AUS-Strom nach dem EF-Prozess. Das Inset zeigt den EF-Prozess in einem unberührten Bauelement. b TS-Verhalten ohne EF-Prozess bei niedrigem AUS-Strom und hoher NL

D3 zeigte ebenfalls typische TS-Charakteristiken wie in Abb. 3b dargestellt. Der EF-Prozess war jedoch nicht erforderlich, um TS-Verhalten im unberührten Zustand des Bauelements zu induzieren. Der Strom erreichte I_cc = 5 µA bei einer V_th von ~ −0,8 V (EIN-Zustand) und kehrte spontan in den ursprünglichen AUS-Zustand bei V_hold < ~ −0,2 V zurück. Die nachfolgenden D3 I-V-Schleifen ähnelten den ersten I-V-Schleifen. Zudem zeigte das Bauelement konsistent einen niedrigen AUS-Strom bei niedriger Betriebsspannung im Vergleich zu D2. Zusätzlich blieb die AUS-Zustandsstromdichte in D3 noch niedriger als die von D2; der Unterschied betrug etwa 10⁵ A/cm². Folglich wurde bestätigt, dass der Unterschied in der Ag-Konzentration in der HfOₓ-Schicht die Notwendigkeit des EF-Prozesses bestimmt und die TS-Charakteristiken dramatisch verändert.

Um einen Selektor–einen Widerstandsspeicher (1S1R) zu realisieren, benötigt ein Selektor einen niedrigen AUS-Strom zur Unterdrückung des Leckstroms und einen hohen EIN-Strom entsprechend dem Reset-Strom des Widerstandsspeichers [21, 22]. Um solche I-V-Nichtlinearitäten zu erfüllen, bestätigten wir die Nichtlinearität (NL) und Selektivität (S) unserer Bauelemente und der zuvor berichteten TS-Selektoren, um ihre Leistung als Selektoren zu bewerten [14, 18, 21,22,23]. Hier definieren wir NL und S mittels Gleichungen (1) und (2) wie folgt:

$$ NL = \frac{I_{V_{th}}}{I_{\frac{1}{2}V_{th}}} $$ (1)

$$ S = \frac{I_{ON}}{I_{OFF}} $$ (2)

NL ist definiert als das Verhältnis des Stroms bei V_th und der Hälfte von V_th. Im Halb-Bias-Schema im Kreuzschienenarray wird V_th der Zielzelle angelegt, während die Hälfte von V_th den benachbarten halbausgewählten Zellen zufällt. Daher ist NL kritisch, um Fehlfunktionen des Kreuzschienenarrays während Programmier-/Lesevorgängen zu verhindern. Im Gegensatz dazu ist S das Verhältnis des Stroms im EIN- und AUS-Zustand bei V_th und repräsentiert die Leistung des TS-basierten Selektors. Beide Definitionen werden weit verbreitet zum Vergleich der Selektorleistung verwendet. Daher sind große NL- und S-Werte für den 1S1R-Betrieb erforderlich, um den Sneak-Path-Strom effektiv zu unterdrücken.

Verschiedene Schaltparameter einschließlich NL und S in unseren Bauelementen und den TS-Selektoren in der Literatur sind in Tabelle 2 dargestellt. Im Fall von D2 führt eine Erhöhung des AUS-Stroms zu einem signifikanten Rückgang von NL und S. Im Gegensatz dazu ist der AUS-Strom von D3 ausreichend niedrig, sodass NL- und S-Werte größer als 10⁶ erreicht wurden. Allerdings konnten D2 und D3 nur bei niedrigem I_cc (< 10 µA) eine TS-Charakteristik zeigen, da TS bei höherem I_cc in ein nichtflüchtiges Memory Switching überging. Es ist bekannt, dass die meisten TS-Selektorbauteile mit Ag-Filamenten bei einem I_cc größer als 10–100 µA einem Übergang zu nichtflüchtigem Memory Switching unterliegen [23,24,25,26]. Wenn I_cc höher als 10–100 µA ist, bildet sich ein robuster und stabiler Metallfilament, der schwer spontan zu reißen ist im Vergleich zum dünnen und instabilen Filament, das bei niedrigerem I_cc gebildet wird [26, 27]. Daher wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, wie Mehrschichtstrukturen (Ag/TaOₓ/TaO_y/TaOₓ/Ag) und Ag-Nanopunkte, die im Dielektrikum eingebettet sind, um zuverlässige TS-Charakteristiken bei höherem I_cc zu erhalten [21, 22].

Um die Größe und Verteilung der Ag-Atome innerhalb der HfOₓ-Schicht zu beobachten, wurden HR-TEM- und EDS-Elementanalysen an D2 und D3 durchgeführt. Abbildung 4a und b (c und d) zeigen Querschnitts-HR-TEM-Bilder von D2 (D3). Den HR-TEM-Bildern zufolge ist es wahrscheinlich, dass die Ag-Atome in atomarer Größe gleichmäßig in die HfOₓ-Matrix dispersiert sind. In beiden Bauelementen waren keine unterscheidbaren Ag-Partikel oder Ag-Cluster von wenigen Nanometern Größe zu beobachten. Zudem wurde die amorphe Phase des HfOₓ durch ein schnelles Fourier-Transformationsbild (FFT) bestätigt, wie in den Insets von Abb. 4b und d gezeigt. Allerdings weisen die Ag-Signale in den Linienprofilen auf das Vorhandensein von Ag in der HfOₓ-Schicht hin. Daher wird geschlossen, dass Ag im HfOₓ in atomarer Skala verteilt wäre. Der Schaltbereich einschließlich des Ag-Nanofilaments sollte untersucht werden; da die TS-Charakteristiken jedoch flüchtig sind, sollte in Zukunft eine In-situ-TEM-Beobachtung versucht werden.

Mikrostrukturelle und kompositionelle Analyse. a TEM-Querschnittsbild von D2. b Vergrößertes TEM-Bild von D2. Das Inset ist das entsprechende FFT-Bild. c TEM-Querschnittsbild von D3. d Vergrößertes TEM-Bild von D3. Das Inset ist das entsprechende FFT-Bild. EDS-Elementlinienprofile von e D2 und f D3

Wir schlagen den folgenden Mechanismus für die TS-Verhalten in unseren Bauelementen vor, wie in Abb. 5a und b dargestellt. Die als hergestellten Ag-dotierten HfOₓ-Schaltlagen weisen gleichmäßig verteilte Ag-Atome im HfOₓ auf. Es wird jedoch erwartet, dass aufgrund der niedrigen Ag-Konzentration in D2 ein relativ großer Abstand zwischen den Ag-Atomen besteht. Abbildung 5a zeigt den EF-Prozess vom als hergestellten D2. Wenn ein elektrisches Feld auf das Bauelement im unberührten Zustand angelegt wird, können Ag-Atome im HfOₓ zu Ag⁺-Ionen oxidiert werden und entlang der Feldrichtung migrieren. Die oxidierten Ag⁺-Ionen werden an der anderen Pt-Elektrode wieder zu Ag-Atomen reduziert, wo ein Ag-leitfähiges Filament kontinuierlich wachsen kann. Sobald das Filament zwischen den beiden Elektroden verbunden ist, schaltet das Bauelement vom AUS- in den EIN-Zustand. Während des EF-Prozesses in D2 könnten größere Ag-Cluster aufgrund des hohen elektrischen Feldes gebildet werden. Es wurde festgestellt, dass ein solches hohes elektrisches Feld ausreicht, um Ag-Nanopartikel von mehreren Nanometern Durchmesser zu bilden, wie aus In-situ-TEM-Beobachtungen in der Literatur hervorgeht [14, 15]. Nach Entfernen des angelegten elektrischen Feldes diffundieren Ag-Atome in atomarer Skala in die HfOₓ-Matrix aus, was bedeutet, dass das Bauelement in den AUS-Zustand zurückkehrt. Größere Ag-Cluster, die nicht ausreichend ausdiffundieren können, verbleiben jedoch im leitfähigen Pfad. Diese residualen Ag-Cluster führen zu einem größeren AUS-Strom im nachfolgenden AUS-Zustand. Im Gegensatz dazu bildet sich im Fall des als hergestellten D3 (Abb. 5b) ein Ag-Filament ohne Bildung von Ag-Clustern, da D3 unter niedrigem elektrischem Feld betrieben wird, sodass das Bauelement einen niedrigen AUS-Strom beibehalten kann. Ebenso kehrt das Bauelement beim Entfernen des angelegten elektrischen Feldes in den AUS-Zustand zurück, aufgrund der spontanen Ruptur des Ag-Filaments, was durch den Thomson-Gibbs-Effekt der Minimierung der Grenzflächenenergie zwischen Filament und Matrix erklärt werden kann [15, 18, 28]. Folglich können bidirektionale TS-Charakteristiken durch wiederholbare Ag-Atom/Ion-Diffusionsdynamik erreicht werden.

Vorgeschlagener Mechanismus des TS in einem Ag-dotierten HfOₓ-Bauelement. Die erste Ag-Filamentbildung/Ruptur für TS-Verhalten in a EF-bedürftigen (D2) und b EF-freien (D3) Bauelementen

Um den Unterschied während des EF-Prozesses zu erklären, schlagen wir die folgenden Gleichungen (3) und (4) vor:

$$ D = D_0 \exp\left(-\frac{E_{mo}}{kT}\right) $$ (3)

wobei D die Diffusivität, D₀ der präexponentielle Faktor, E_mo die Migrationsbarriere bei Null-Bias, k die Boltzmann-Konstante und T die lokale absolute Temperatur ist. Um das Ag-Filament innerhalb der HfOₓ-Schicht zu bilden, müssen Ag-Ionen eine Migrationsbarriere überwinden, um sich zur negativ bepolten Elektrode zu bewegen. Wenn der externe Bias angelegt wird, kann das elektrische Feld die Migrationsbarriere E_m senken, was zu Ionenmigrationen entlang der Feldrichtung führt:

$$ E_m = E_{mo} - \frac{e \cdot V_{bias}}{Z_{box}} \cdot \Delta z $$ (4)

mit der Elementarladung e, der Bias-Spannung V_bias, der HfOₓ-Schichtdicke Z_box und der Ag-Sprungdistanz in z-Richtung Δz. Tatsächlich können Ag-Ionen unter Null-Bias in alle Richtungen springen. Wir betrachteten jedoch das Springen entlang der z-Richtung im EF-Prozess, da das Bauelement unter dem hohen elektrischen Feld in den EIN-Zustand geschaltet werden kann, wo Ag-Ionen dominierend entlang der elektrischen Feldrichtung springen. Um E_m zu schätzen, berechneten wir die Ag-Sprungdistanz (Δz) aus unseren experimentellen Ergebnissen der Ag-Konzentration und Schichtdicke als 0,67 nm in D2 und 0,45 nm in D3. Die Migrationsbarriere bei Null-Bias, E_mo = 3,02 eV, wurde aus der Literatur entnommen [29]. Bei der ersten Bildung des Ag-Filaments war in D2 ein elektrisches Feld von ~ 1,6 MV/cm erforderlich, das die Migrationsbarriere um 0,11 eV senkte. Im Gegensatz dazu war für das erste Schalten in D3 ein elektrisches Feld von ~ 0,4 MV/cm erforderlich, das die Migrationsbarriere um 0,04 eV senkte. Daher ist die Ag-Diffusion in D3 trotz der geringeren Barrierensenkung aufgrund der kurzen Sprungdistanz und hohen Ag-Konzentration im Vergleich zu D2 ausreichend, um das Ag-Filament zu bilden. Aufgrund der relativ langen Sprungdistanz in D2 war jedoch eine größere Barrierensenkung für eine ausreichende Diffusion zur Bildung des Ag-Filaments erforderlich. Sobald das Filament gebildet ist, sollte es durch Abschalten der Spannung spontan reißen; das Ag-Filament konnte jedoch nicht vollständig in seine ursprüngliche Verteilung ausdiffundieren, wodurch die Sprungdistanz Δz abnahm im Vergleich zum als hergestellten D2. Dies führte zu einem reduzierten elektrischen Feld (~ 0,4 MV/cm) im nachfolgenden Schwellenwertschalten. Es sei angemerkt, dass die Schichtdicke die I-V-Charakteristiken des Bauelements erheblich beeinflusst. Daher bestätigten wir den EF-Prozess in Bauelementen mit ähnlicher Dicke, aber unterschiedlicher Ag-Konzentration. Ebenfalls zeigten diese Bauelemente einen Übergang von EF-bedürftigen zu EF-freien Charakteristiken mit steigender Ag-Konzentration. Daher wurde demonstriert, dass die Ag-Konzentration den EF-Prozess wesentlich beeinflusst, indem sie das effektive interne elektrische Feld steuert. Das heißt, die Modulation der Ag-Konzentration und damit der Sprungdistanz in der HfOₓ-Schicht ist für EF-freie TS-Charakteristiken mit größeren NL- und S-Werten erforderlich.

Schlussfolgerungen

Diffusive Selektorbauteile auf Basis Ag-dotierter HfOₓ-Dünnschichten wurden gefertigt und ihre TS-Charakteristiken bewertet. Um den Einfluss der Ag-Konzentration auf die elektrischen Eigenschaften zu verstehen, wurden Bauelemente mit unterschiedlichen Ag-Konzentrationen untersucht. Das TS-Verhalten in den Bauelementen kann durch die Bildung/Selbstruptur von Ag-Filamenten aus atomar dispersen Ag-Atomen im HfOₓ beschrieben werden. Es wurde bestätigt, dass die Ag-Konzentration den EF-Prozess zur Bildung eines solchen metallischen Filaments beeinflussen kann. Das Bauelement mit niedriger Ag-Konzentration benötigte einen vorherigen EF-Prozess für TS-Verhalten, während EF-freies TS-Verhalten im Bauelement mit höherer Ag-Konzentration nachgewiesen wurde. Zudem zeigte das EF-freie Bauelement eine bessere TS-Leistung als das EF-bedürftige Bauelement hinsichtlich Nichtlinearität und AUS-Strom. Daher sind eine geeignete Dotierkonzentration und -verteilungskontrolle erforderlich, um ein EF-freies diffuses Selektorbauteil zu erhalten und Leistungsverschlechterungen durch den EF-Prozess zu vermeiden.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

CBA:

Kreuzschienenarray

EF:

Elektroformieren

HRS:

Hochohmiger Zustand

LRS:

Niederohmiger Zustand

NL:

Nichtlinearität

S:

Selektivität

TS:

Schwellenwertschalten