Invloed van dubbellaag CeO₂−x/ZnO heterostructuren en electrovormingspolariteit op de weerstandsschakelprestaties van niet-vluchtige geheugentoestellen

Samenvatting

We fabriceerden Ti boven-/Pt onder-electrode geheugencellen met dubbellaag CeO₂−x/ZnO en ZnO/CeO₂−x heterostructuren via RF-magnetron sputtering bij kamertemperatuur. Beide lagen zijn n-type halfgeleiders, maar de weerstandsschakel (RS) kenmerken van het toestel hangen sterk af van de volgorde van de heterostructuur en de polariteit die tijdens electrovorming wordt gebruikt. De electrovormingspolariteit beïnvloedt cruciale parameters zoals de benodigde electrovormingsspanning, cyclus-tot-cyclus uithoudingsvermogen (~10² cycli) en de AN/UIT weerstandsratio. Toestellen met een CeO₂−x/ZnO stapel vertonen robuuste RS-gedrag, toegeschreven aan de vorming van Schottky-barrières aan zowel de boven- als de onderinterface. In de hoge-weerstandstoestand (HRS) domineert Schottky-emissie de ladingstransport in het hoge-veld regime. Temperatuurafhankelijke studies van de lage-weerstandstoestand (LRS) en HRS bevestigen dat de schakeling ontstaat door de creatie en breuk van geleidende filamenten samengesteld uit zuurstofvacatures.

Achtergrond

Conventionele flash-geheugens benaderen hun fysieke limieten, wat de zoektocht naar next-generation niet-vluchtige geheugens aanzet. Weerstands-willekeurige-toegang-geheugen (RRAM) is een veelbelovende kandidaat vanwege zijn hoge schaalbaarheid, lange dataretentie, sub-nanoseconden schakeling, laag stroomverbruik en eenvoudige metaal-oxide-metaal (MOM) architectuur.

RRAM-cellen vertonen bipolaire weerstandsschakeling (BRS) of unipolaire schakeling (URS), wisselend tussen een lage-weerstandstoestand (LRS) en een hoge-weerstandstoestand (HRS) onder aangelegde spanningsweeps. De betrouwbaarheid van deze overgangen hangt af van uniforme SET/RESET-spanningen en -stromen, die worden bepaald door diëlektrische eigenschappen, elektrode werkfuncties en fabricageprocessen. Schakelmechanismen worden breed ingedeeld als bulk-beperkt (diëlektrische permitiviteit-gedreven) of interface-beperkt (elektroncorrelatie aan de metaal-diëlektrische interface).

Ceriumoxide (CeO₂) is aantrekkelijk voor RS-toepassingen vanwege de grote diëlektrische constante (~26), lage Gibbs-vrije energie (−1024 kJ mol⁻¹), dubbele oxidatietoestanden (Ce⁴⁺ ↔ Ce³⁺), en een hoge concentratie zuurstofvacatures in niet-stoichiometrisch CeO₂−x. Zinkoxide (ZnO) is een wijd-bandgap, optisch transparante halfgeleider met hoge resistiviteit (10⁵ Ω cm) en een rijke defectchemie, wat het een populaire keuze maakt voor RRAM-diëlektrica.

Dubbellaagstructuren, zoals CeO₂−x/ZnO of ZnO/CeO₂−x, hebben aangetoond de electrovormings- en SET/RESET-spanningen te verlagen, de schakeluniformiteit te verbeteren en de uithouding te vergroten. Systematische studies die onderzoeken hoe de heterostructuurvolgorde en electrovormingspolariteit het RS-gedrag beïnvloeden, zijn echter schaars.

In deze studie presenteren we een vergelijkende analyse van Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt en Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt toestellen, waarbij we benadrukken hoe de toestelarchitectuur en electrovormingspolariteit de RS-prestaties, uithouding en retentie bepalen.

Methoden

Twee toestelstapels werden gefabriceerd: Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt en Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt. Voor de eerste stapel werd een 10 nm ZnO-film gesputterd op commerciële Pt/Ti/SiO₂/Si substraten bij kamertemperatuur (75 W RF-vermogen, ~10 mTorr Ar/O₂ 6:18, 24 sccm). Een 5 nm CeO₂−x-laag werd vervolgens op de ZnO gedeponeerd onder identieke omstandigheden. Een cirkelvormige Pt/Ti bovenelektrode met 150 µm diameter werd gepatentereerd door DC-sputtering met een schaduwmasker. De tweede stapel werd identiek gefabriceerd, met de laagvolgorde omgekeerd. Alle toestellen werden gekarakteriseerd met een Agilent B1500A parameteranalyser, en dwarsdoorsnede HRTEM-beeldvorming werd uitgevoerd op een JEM-2001F microscoop.

Resultaten en Discussie

Toestelarchitectuur en Elektrovorming

Figuur 1 toont het schematisch van beide heterostructuurtoestellen. Stroom-spanning (I-V) metingen onthullen klassieke bipolaire RS-gedrag. In Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt induceert een +2 V sweep een plotselinge stroomsprong bij 0,6 V, wat filamentevorming en een AN-toestand aangeeft die persisteert na verwijdering van de spanning. Een daaropvolgende negatieve sweep herstelt de HRS, en een positieve sweep brengt het toestel terug naar LRS.

Wanneer een negatieve electrovormingsspanning wordt toegepast, vereist het toestel een hogere magnitude (−5,6 V) om geleidende paden te vormen en schakelt het niet terug naar HRS, wat irreversibele filamentevorming impliceert. Dus moeten Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt toestellen positief geëlectrovormd worden voor betrouwbare niet-vluchtige werking.

In tegenstelling hiertoe kunnen Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt toestellen bij beide polariteiten geëlectrovormd worden. Positieve electrovorming (0 → +4 V) produceert een filament bij +3 V; daaropvolgende SET/RESET-cycli treden op bij ±2 V. Negatieve electrovorming (0 → −3,5 V) levert eveneens reversibele schakeling op, met SET bij −2,5 V en RESET bij +1,5 V. Een 1 mA compliantie-stroom werd gebruikt tijdens electrovorming en SET om permanente doorbraak te voorkomen.

Schakeluniformiteit

Cumulatieve kansverdelingen van SET- en RESET-spanningen (Figuur 3) tonen smalere distributies voor Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt vergeleken met Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt, wat superieure spanninguniformiteit aangeeft. Gemiddelde electrovormingsspanningen zijn aanzienlijk lager voor de CeO₂−x/ZnO-stapel, terwijl SET/RESET-spanningen maar marginaal verschillen. Dit gedrag komt overeen met het lagere Gibbs-vrije energieverschil tussen ZnO en CeO₂−x, wat zuurstofvacatiemigratie vergemakkelijkt en de bedrijfsspanningen verlaagt.

Uithouding

Uithoudingstesten bij 0,2 V tonen aan dat positief geëlectrovormde Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt toestellen een geheugenvenster van ~10 behouden over 10² cycli, dankzij Schottky-barrièrevorming aan de Ti/CeO₂−x-interface. Negatief geëlectrovormde Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt toestellen vertonen superieure uithouding (~10² cycli) vergeleken met hun positief geëlectrovormde tegenhangers, die lijden aan slechte AN/UIT-onderscheiding door het ontbreken van een Schottky-barrière aan de Ti/ZnO-interface.

Retentie

Beide heterostructuren behouden stabiele HRS- en LRS-weerstanden gedurende ten minste 10⁴ s bij kamertemperatuur onder een 0,2 V leespuls, wat robuuste dataretentie zonder stroom aangeeft.

Gedragsmechanismen

Hoog-veld I-V curven voldoen aan een Schottky-emissiemodel (ln I vs. √V lineariteit) voor beide stapels, wat interface-beperkte transport bevestigt. Temperatuurafhankelijke metingen (200–300 K) tonen metallisch gedrag in LRS (weerstand neemt toe met T) en halfgeleidergedrag in HRS (weerstand neemt af met T). Activeringsenergiën (~0,092 eV) afgeleid van Arrhenius-plots komen overeen met de ionisatie-energie van zuurstofvacatures, wat het vacature-filament schakelmodel versterkt.

Bandalignment en Schakeldynamica

Energiebanddiagrammen (Figuur 7) onthullen een 1,02 eV verschil tussen de werkfuncties van ZnO (4,35 eV) en CeO₂ (3,33 eV), wat elektronenoverdracht van CeO₂ naar ZnO drijft. In Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt trekt positieve bias zuurstofionen naar de CeO₂−x/Pt-interface, vormend filamenten die onder negatieve bias breken. In Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt leidt het ontbreken van een Schottky-barrière aan de Ti/ZnO-interface tot slechtere uithouding onder positieve bias, terwijl negatieve bias betrouwbare schakeling herstelt.

Over het algemeen beïnvloeden de heterostructuurvolgorde en electrovormingspolariteit kritisch de RS-prestaties, met CeO₂−x/ZnO-stapels die lagere electrovormingsspanningen en betere uithouding bieden bij positieve electrovorming, en ZnO/CeO₂−x-stapels die het best presteren bij negatieve electrovorming.

Conclusies

We hebben aangetoond dat dubbellaag CeO₂−x/ZnO en ZnO/CeO₂−x heterostructuren, tezamen met het teken van de electrovormingspolariteit, de weerstandsschakelkenmerken significant beïnvloeden. Ti/CeO₂−x/ZnO/Pt toestellen profiteren van een TiO-tussenlaag onder positieve bias, terwijl Ti/ZnO/CeO₂−x/Pt toestellen vertrouwen op CeO₂−x als zuurstofreservoir onder negatieve bias. Beide configuraties vertonen Schottky-emissie-beperkte geleiding in HRS en vacature-filament schakelmechanismen, wat veelbelovende paden biedt naar hoge-uithouding, lage-spanning RRAM-cellen.

Afkortingen

BRS

Bipolaire weerstandsschakeling

DC

Gelijke stroom

HRS

Hoge-weerstandstoestand

HRTEM

Hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

LRS

Lage-weerstandstoestand

MOM

Metaal-oxide-metaal

RRAM

Weerstands-willekeurige-toegang-geheugen

RS

Weerstandsschakeling

TE

Bovenelektrode

URS

Unipolaire weerstandsschakeling