Schakelfoutmechanisme in op zinkperoxide gebaseerde programmeerbare metallisatiecel

Resultaten en discussie

TEM-analyse werd uitgevoerd om het effect van peroxidebehandeling op de structurele en morfologie van de films te onderzoeken. Figuur 1a toont het dwarsdoorsnedebeeld van ZnO-film (NT) gegroeid op ITO-substraat. Het is gebleken dat de groeioriëntatie van de film loodrecht op het substraat staat, zoals weergegeven in het TEM-beeld met hoge resolutie (HR) in Fig. 1b. De kristalstructuur van de film werd onderzocht door de snelle Fourier-transformatie (FFT) microfoto te analyseren van Fig. 1b, zoals afgebeeld in Fig. 1c. De kristalstructuur van de ZnO-film is een hexagonale wurtzietstructuur (overeenkomst met JCPDS#36-1451). De structuur en morfologie van het oppervlak van de ZnO-film zijn veranderd na een peroxidebehandeling gedurende 1 minuut (ST1), zoals weergegeven in figuur 1d. Te zien is dat de behandeling leidt tot de vorming van een dubbele laag. De voorkeursoriëntatie (002) is verminderd in de bovenste laag, zoals weergegeven in figuur 1e; wat aangeeft dat fasetransformatie heeft plaatsgevonden als gevolg van de peroxidebehandeling. Figuur 1f toont spotpatroonanalyse van FFT-microfoto van (e). De bovenste laag blijkt een polykristallijne kubische pyrietstructuur te zijn ZnO₂ (overeenkomst met JCPDS#77-2414). Het is bevestigd dat behandeling met peroxide hexagonale-naar-kubische (h-naar-c) fasetransformatie induceert; dit fenomeen komt overeen met de eerdere literatuur [27, 28]. Een peroxidebehandeling gedurende 3 min (ST3) kan leiden tot verdere oxidatie in het diepere gebied, zoals weergegeven in Fig. 1g. Het getransformeerde gebied vergroot de totale dikte van de weerstandslaag. De inzet in Fig. 1g toont het HRTEM-beeld van het getransformeerde gebied. De FFT-microfotoanalyse laat zien dat een klein gebied is getransformeerd in de amorfe fase, zoals weergegeven in Fig. 1h en i. Naarmate de behandelingstijd toeneemt tot 9 min (ST9), vond de fasetransformatie plaats in het hele gebied van de resistieve laag, zoals weergegeven in figuur 1j. Dientengevolge bestaat de resistieve laag uit een enkele laagstructuur met een verhoogde dikte van 70 nm. De inzet in Fig. 1j toont het HRTEM-beeld van de resistieve laag. Het kan worden waargenomen dat de resistieve laag bestaat uit een willekeurige verdeling van kristallijn ZnO₂ van nanoformaat deeltjes in de amorfe matrix, zoals bevestigd door FFT-microfoto-analyse getoond in Fig. 1k en l. Dit suggereert dat een langdurige peroxidebehandeling kan leiden tot kristallijne ontleding. We veronderstellen dat de overmatige zuurstofradicalen die in het kristallijne materiaal worden gediffundeerd, de kristalstructuur kunnen vernietigen, en zo in de amorfe fase kunnen veranderen [28, 39]. De elektrische meting werd uitgevoerd om de invloed van de peroxidebehandeling op de resistieve schakelkarakteristieken te evalueren.

TEM-analyse van (a –c ) controle, (d –f ) ST1, (g –ik ) ST3, en (j –ik ) ST9 lagen. De inzet in (g ) en (j ) zijn TEM-afbeeldingen met hoge resolutie van respectievelijk ST3 en ST9

Afbeelding 2a toont de transversale TEM-afbeelding van het gefabriceerde besturingsapparaat (NT). De dikte van de bovenste elektrode (Cu), de resistieve laag en de onderste elektrode (ITO) is respectievelijk ongeveer 400, 50 en 265 nm. ITO-bodemelektrode is opzettelijk gekozen vanwege het ZnO/ITO ohmse contactgedrag [28, 36]; de schakelkarakteristieken zijn dus uitsluitend afhankelijk van de soortelijke weerstand van de schakellaag. De schema's van de apparaatstructuur en meetopstelling zijn weergegeven in Fig. 2b. De voorspanning wordt toegepast op de bovenste elektrode terwijl de onderste elektrode wordt geaard. Het is gemeld dat de ZnO₂ heeft een zeer hoge soortelijke weerstand, vanwege de vernietiging van intrinsieke donordefecten en de vorming van acceptordefecten tijdens peroxidebehandeling [28,29,30, 32, 35, 37]. Er wordt een laagspannings-sweeptest uitgevoerd om de weerstand van de ongerepte apparaten te berekenen, zoals weergegeven in figuur 2c-f. Het is gebleken dat de apparaten die zijn gemaakt met ZnO₂ laag vertonen een verhoogde ongerepte weerstand, tot 6 tot 7 orde van grootte in vergelijking met het apparaat zonder de ZnO₂ laag (besturingsapparaat). Een overmatige peroxidebehandeling (9 min) resulteerde in een lichte afname van de weerstand van het ST9-apparaat (Fig. 2f). Eerdere studies suggereren dat de afname van de weerstand na een overmatige peroxidebehandeling waarschijnlijk te wijten is aan microstructurele schade zoals gedeeltelijk geëtst en oppervlakteruwheid [35, 37]. Dergelijke oppervlakteschade werd echter niet waargenomen in onze TEM-analyse. Niettemin is de vorming van het amorfe ZnO₂ structuur opgetreden bij de Cu/ZnO₂ grensvlakgebied na 3 min peroxidebehandeling; de kristallijne-naar-amorfe fasetransformatie begint vanaf het oppervlaktegebied van de ZnO₂ film (ST3; Afb. 1g–i). Wij geloven dat de soortelijke weerstand van een amorfe ZnO₂ is kleiner dan die van het kristallijne ZnO₂ . Sinds de ZnO₂ structuur van de ST3 is voornamelijk kristallijn, daarom blijft de soortelijke weerstand hoog (figuur 2e). Omgekeerd vond de kristallijne-naar-amorfe fasetransformatie plaats in bijna alle regio's van de ST9-film (figuur 1j-l); het leidt dus tot een lichte afname van de soortelijke weerstand (figuur 2f). Er wordt gesuggereerd dat het aantal korrelgrenzen een grotere rol speelt dan de dikteparameter bij het bepalen van de soortelijke weerstand van ZnO-film; een hoger aantal korrelgrenzen resulteerde in een lagere lekstroom [40]. Daarom nemen we aan dat het mechanisme van het fenomeen van afnemende weerstand in het amorfe ZnO₂ kan vergelijkbaar zijn met het ZnO-geval waarbij het afnemende aantal korrelgrenzen de soortelijke weerstand verlaagt. Niettemin, een gedetailleerd onderzoek naar de elektrische eigenschappen van de ZnO₂ materiaal is een interessant onderwerp dat in de toekomst moet worden onderzocht.

een Dwarsdoorsnede TEM-beeld van Cu/ZnO/ITO-apparaat. b Schema van Cu/ZnO/ITO-apparaat. Typische IV-curve en weerstandsberekening van (c ) controle, (d ) ST1, (e ) ST3, en (f ) ST9-apparaten. g Het vormen van bochten van de gefabriceerde apparaten

De toename van de oorspronkelijke weerstand is gunstig om de schakelkarakteristieken te activeren bij een lagere stroomconformiteit (CC) en om de bedrijfsstroom van het apparaat te verminderen. De activering van de schakelkarakteristieken is nodig om de ongerepte toestand te veranderen in de lage-weerstandstoestand (LRS), ook wel vorming genoemd. Afbeelding 2g toont het vormingsproces van de gefabriceerde apparaten. Aangetoond wordt dat het besturingsapparaat een zeer hoge CC van 100 mA nodig heeft voor het vormingsproces; daarentegen hebben ST1-, ST3- en ST9-apparaten respectievelijk slechts 200, 100 en 35 μA nodig. Het is gebleken dat de vormingsspanning van de apparaten die zijn gemaakt met een langere peroxidebehandeling de neiging heeft toe te nemen als gevolg van de toename van de totale dikte van de weerstandslaag.

Afbeelding 3 toont de I–V-curves en duurzaamheidskenmerken van de gefabriceerde apparaten. Alle apparaten vertonen analoge bipolaire schakeling tegen de klok in, zoals weergegeven in Fig. 3a-d. Na het vormingsproces kunnen de apparaten worden overgeschakeld naar de hoge weerstandsstand (HRS) door de negatieve spanningsvoorspanning te vegen, ook wel reset genoemd. De reset-spanning (Vreset) van alle apparaten is − 2 V. Hierna kunnen de apparaten worden teruggeschakeld naar de LRS door de positieve spanning (Vset) die als set wordt genoemd, te vegen. De statistische spreiding van Vset kan de relatie tussen de schakelparameter en het schakelgedrag ophelderen; [11] dus wordt een cumulatieve kans uitgezet zoals weergegeven in figuur 3e. Het blijkt dat de variatiecoëfficiënt (standaarddeviatie (σ)/gemiddelde (μ)) de neiging heeft toe te nemen naarmate de peroxidebehandeling langer duurt, zoals weergegeven in de inzet van figuur 3e. Dit geeft aan dat de peroxidebehandeling de schakelparameter moduleert vanwege de wijziging van de vorm of grootte van de geleidende brug [4, 41]. Om de betrouwbaarheid van het apparaat te evalueren, is een duurtest uitgevoerd en het resultaat wordt getoond in Fig. 3f–i. Het bedieningsapparaat vertoont een zeer stabiele schakeling met een AAN / UIT-verhouding (geheugenvenster) van ongeveer 13 keer tijdens de duurtest, zoals weergegeven in Fig. 3f. Hoewel het besturingsapparaat een goede uniformiteit en voldoende geheugenvenster vertoont [42], is de bedrijfsstroom (100 mA) echter te hoog; die niet geschikt is voor toepassingen met laag vermogen [43]. De schakelkarakteristieken worden verbeterd na 1 min peroxidebehandeling (ST1), zoals weergegeven in Fig. 3b en g. Het ST1-apparaat kan werken met een veel lagere bedrijfsstroom (met CC van 200 A) en vertoont voldoende uniformiteit met een vergroot geheugenvenster van ongeveer 46 keer. Een verdere toename van de peroxidebehandelingstijd zorgt ervoor dat de apparaten met een nog lagere bedrijfsstroom kunnen werken; de ST3- en ST9-apparaten kunnen werken bij CC van respectievelijk 100 en 35 μA, zoals weergegeven in Fig. 3c en d. Houd er rekening mee dat het gebruik van een hogere CC voor ST3 en ST9 kan leiden tot defecten aan het apparaat. Ondanks dat zowel ST3- als ST9-apparaten op een veel lagere stroomsterkte werken in vergelijking met ST1, neemt de schakeluniformiteit af naarmate de peroxidebehandeling langer duurt, zoals weergegeven in Fig. 3h en i. Niettemin vertonen alle met peroxide behandelde apparaten een uitstekend niet-vluchtigheidsgedrag, zoals weergegeven in figuur 3j; geen significante fluctuatie wordt waargenomen gedurende meer dan 7000 s bij kamertemperatuur. Op basis van onze eerdere studie is de schakelinstabiliteit het resultaat van de reductie-oxidatie (redox) concurrentie tussen de multi- en branch geleidende bruggen [10, 12, 41]. Wij zijn van mening dat de vorming van de niet-begrensde bruggen aanzienlijk wordt gecontroleerd door de microstructuur van de resistieve laag.

Typische IV-curven van (a ) controle, (b ) ST1, (c ) ST3, en (d ) ST9-apparaten. e Cumulatieve waarschijnlijkheidsplot van ingestelde spanning (Vset). Uithoudingsvermogen kenmerken van (f ) controle, (g ) ST1, (u ) ST3, en (i ) ST9-apparaten. j Kenmerken van het behoud van de kamertemperatuur van alle apparaten. Inzet in (e ) toont de variatiecoëfficiënt van de Vset-verdeling. Elk gegevenspunt in (e ) staat voor de 25 opeenvolgende cycli

Afbeelding 4a-d toont de schema's van het geleidingsmechanisme van respectievelijk het besturingsapparaat ST1, ST3 en ST9. Tijdens vormings- en hardingsprocessen wordt het Cu-metaal geoxideerd wanneer een positieve bias wordt toegepast op de Cu-bovenelektrode (TE), en de Cu-ionen worden aangetrokken door de ITO-bodemelektrode (BE) om te reduceren tot de metallische toestand [8 ]. Dit proces resulteert in de vorming van een geleidende brug die groeit van BE naar de TE; bijgevolg kan het elektron gemakkelijk van kathode naar anode stromen en resulteerde dit in de LRS (figuur 4a (i)). Hierna resulteert het gebruik van een negatieve bias naar de TE tijdens het resetproces in de re-ionisatie van de Cu-geleidende brug, en de Cu-ionen drijven terug naar de TE; vandaar dat de geleidende brug wordt verbroken en HRS wordt bereikt (figuur 4a (ii)). Omdat de Cu-ionen de neiging hebben om langs de korrelgrenzen te drijven onder een elektrisch veld [22], helpt de loodrechte korreloriëntatie van de ZnO-weerstandslaag van het regelapparaat (figuur 1b) daarom de vorming en breuk van een beperkte brug [8] ]. Een beperkte brug is gunstig om ervoor te zorgen dat de vorming en breuk van de geleidende brug in hetzelfde gebied plaatsvinden; dus wordt een hoge schakeluniformiteit vertoond in het besturingsapparaat (figuur 3f). Het gebruik van hoge CC (100 mA) resulteert echter in de vorming van een grote geleidende brug en een werking met hoge stroomsterkte. Aan de andere kant neemt de schakelstabiliteit voor delen van ST1- en ST3-apparaten af ​​(Fig. 3g en h) als gevolg van de ontwikkeling van onregelmatige korrels (resulteert in een groter aantal korrelgrenzen) (Fig. 1e en g). De willekeurige microstructuur van de ZnO₂ laag bevordert de vorming van multi- of vertakkingsbruggen in het betreffende gebied. Aangezien het belangrijkste gebied in de ST1-resistieve laag sterk loodrecht staat op de ZnO-film, kan de vorming van meervoudige of vertakte bruggen worden beperkt (figuur 4b(i)). Dientengevolge is de verslechtering van de schakelstabiliteit gering en worden goede uithoudingsvermogenprestaties zonder enige tussentoestand (gegevensfout) vertoond (Fig. 4b (ii)). Omgekeerd, een aanzienlijk gebied van de willekeurig georiënteerde ZnO₂ in de resistieve laag van het ST3-apparaat dicteert de vorm van de geleidende brug en resulteert in de vorming van meervoudige of vertakte bruggen (figuur 4c (i)). Vandaar dat de vorming en breuk mogelijk niet in hetzelfde gebied voorkomen en leidt tot een ernstiger schakelinstabiliteit (figuur 4c (ii)). Voor het ST9-geval, hoewel de schakellaag een laag aantal korrelgrenzen heeft vanwege de kristallijne-naar-amorfe fasetransformatie, leidt de willekeurige verdeling van de kristallijne nanodeeltjes echter tot een ernstige structuuronregelmatigheid. Merk op dat aangezien de nanodeeltjes in de vorm van oxide zijn, er dus geen versterking van een hoog elektrisch veld rond het deeltje is om de opsluiting van de geleidende brug te bevorderen zoals metaalinsluiting [44, 45]. Dientengevolge dreven de Cu-ionen willekeurig af en wordt een vertakte brug over de resistieve laag gevormd tijdens vormings- en hardingsprocessen (figuur 4d (i)). Hierna kunnen de vormings- en breukprocessen niet worden gecontroleerd in dezelfde tak (of regio) en resulteren in de set- en resetfouten (Fig. 4d (ii)); er wordt dus een ernstige schakelinstabiliteit vertoond (Fig. 3i).

Schema's van geleidingsmechanisme van (a ) controle, (b ) ST1, (c ) ST3, en (d ) ST9-apparaten