Effect van Joule-verhitting op resistief schakelkenmerk in AlOx-cellen gemaakt door vorming van thermische oxidatie

Resultaten en discussie

Om de microstructuurveranderingen te controleren na het gloeien van de Pt/Al/ITO-apparaten, wordt HRTEM gebruikt om het gebied tussen de Al- en ITO-glassubstraten te controleren. Figuren 2a en b tonen respectievelijk de ongegloeide en gegloeide monsters. Vergeleken met het niet-gegloeide monster, wordt na 4  uur een duidelijke grenslaag gevonden in het uitgegloeide monster. De dikte van de interfacelaag is ~ 20 nm. De EDX-spectra worden gebruikt om de elementverdeling tussen Al en ITO te identificeren, zoals weergegeven in figuur 2c. Een duidelijke diffusie van zuurstofatomen vond plaats op het grensvlak van het Al/ITO-interface tijdens het gloeiproces. Andere elementen (In, Sn) vertonen geen significante diffusie in de EDX-spectra. In vergelijking met andere metalen heeft Al een lagere standaard Gibbs-vrije energie (− 1582.9 KJ/mol) om de corresponderende metaaloxiden te vormen [17]. We leiden af ​​dat de interface AlO_x laag gevormd tijdens het gloeiproces.

een Dwarsdoorsnede HRTEM-beeld van de ongegloeide Pt/Al/ITO. b Dwarsdoorsnede HRTEM-beeld van het gegloeide monster na 4 h. Er wordt een interfacelaag gevormd. c De energiedispersieve röntgenstraling (EDX) spectra van vijf elementen (Al, O, In, Sn en Si)

Figuur 3a toont de niet-gegloeide stroom-spanningskarakteristiek (I-V). Er wordt geen resistief schakelgedrag waargenomen, wat consistent is met de niet-gegloeide TEM-resultaten. Geen AlO_x resistieve schakellaag wordt gevormd. De inzet toont een schematisch diagram van de elektrische meting. Tijdens de IV-meting wordt de spanning op de bovenste elektrode (Pt) aangelegd en wordt de onderste elektrode (ITO) geaard. De gegloeide apparaten worden ook onder dezelfde omstandigheden gemeten. Het gegloeide apparaat toont het naast elkaar bestaan ​​van het unipolaire en bipolaire RS-gedrag. De twee RS-gedragingen kunnen onafhankelijk van elkaar worden geactiveerd. Figuur 3b toont zwaaicurves van 50 cycli van het unipolaire RS-gedrag. De conformiteitsstroom is ingesteld op 10 mA om harde uitval van apparaten tijdens het ingestelde proces te voorkomen. De pijlen geven de richting van de spanning aan. Een positieve spanningszwaai (0 V → 3,5 V) wordt toegepast op de Pt-elektrode. Het apparaat schakelt van een toestand met hoge weerstand naar een toestand met lage weerstand (instelproces of programmeerproces). Daarna veroorzaakt een andere spanningszwaai (0 V → 1 V) een abrupte stroomvermindering waarbij de compliantiestroom wordt verwijderd. Het apparaat schakelt over naar de HRS (resetproces of wisproces). Er is geen duidelijk grotere vormingsspanning nodig om het apparaat te activeren. De inzet toont de 80-cycli uithoudingsvermogen en de verhouding van R _aan /R _uit is ongeveer 10 ³ met een leesspanning van 0,1 V. Figuur 3c toont het bipolaire RS-gedrag. Het RS-gedrag wordt waargenomen in de tegenovergestelde spanningspolariteit. De ingestelde en reset-sweepspanningen volgen de volgorde van 0 V → +3,4 V → 0 V → − 2,5 V → 0  V. Het apparaat schakelt van de HRS naar de LRS wanneer een positieve voorspanning wordt toegepast op de Pt-topelektrode. Vervolgens wordt het teruggeschakeld naar de HRS onder een negatieve voorspanning. Net als bij het unipolaire geval wordt er geen duidelijk elektroformingsproces waargenomen. De inzet toont de uithoudingskarakteristieken voor 150 cycli. De verhouding van R _aan /R _uit is ongeveer 10 ³ met een leesspanning van 0,1 V.

een De IV-curve voor het niet-gegloeide Pt/Al/ITO-apparaat. De inzet toont een schematisch diagram van de elektrische meting. De Pt-topelektrode is de aangelegde voorspanning en de ITO is geaard. b De 50-cyclus I-V-curve voor unipolair schakelen (gegloeid gedurende 4 h). De stippellijn geeft de compliantiestroom Icc =10 mA aan. De rode lijn geeft het eerste ingestelde proces en het resetproces aan. De pijlen geven de richting van de spanning aan. De uitleesspanning is ingesteld op 0,1 V. De inzet geeft de uithoudingskarakteristiek weer. c De 50-cyclus I-V-curve voor bipolaire schakeling (gegloeid gedurende 4 h). De inzet toont de uithoudingskenmerken. De leesspanning is ingesteld op 0,1 V

Over het algemeen wordt het bipolaire RS-gedrag vaak waargenomen in AlO_x gebaseerde RRAM-apparaten. Het bipolaire schakelmechanisme is te wijten aan het vormen / scheuren van geleidende filamenten die zijn samengesteld uit zuurstofvacatures [11, 16]. Wanneer een positieve spanning op de bovenste elektrode wordt aangelegd, worden de zuurstofionen (O ²⁻ ) migreren naar de bovenste elektrode, waardoor zuurstofvacatures achterblijven. Zuurstofvacatures worden geaccumuleerd om de geleidende filamenten te vormen. Het apparaat schakelt over naar de LRS. Wanneer een negatieve spanning op de bovenste elektrode wordt aangelegd, worden de zuurstofionen terug naar AlO_x gehaald en de geleidende filamenten scheuren. Het bipolaire schakelmechanisme is gerelateerd aan het elektrochemische mechanisme. Het instelproces en het resetproces vinden echter plaats met dezelfde spanningspolariteit voor het unipolaire schakelgedrag. De unipolaire resistieve omschakeling wordt geactiveerd door thermische doorslag van de geleidende gloeidraad. Het schakelmechanisme wordt verklaard door een thermisch mechanisme in andere RRAM-apparaten [16]. Om te controleren of de Joule-verwarming verantwoordelijk is voor het unipolaire schakelgedrag in AlO_x RRAM, een andere compliantiestroom wordt gebruikt om de stroom door het apparaat te regelen.

Figuur 4a toont de I-V-karakteristiek van het bipolaire schakelgedrag voor verschillende compliantiestromen. De weerstand van de geleidende gloeidraad kan worden geregeld door de ingestelde compliantiestroom. Een lagere weerstand van de LRS (Icc =10 mA, R_LRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, R_LRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, R_LRS ~ 8 KΩ) kan worden verkregen door de compliantiestroom te verhogen. De weerstand in de LRS (R _LRS ) varieert van tientallen ohms tot duizenden ohms onder verschillende compliantiestromen. De verschillende R _LRS waarden zijn gerelateerd aan de vorming van verschillende geleidende filamentafmetingen onder verschillende compliantiestromen. Joule-verwarming neemt af met afnemende filamentgrootte [18]. Met name wanneer de compliantiestroom Icc =100 uA en Icc =1 mA, wordt een geleidelijk resetproces waargenomen tijdens het resetproces in het bipolaire RS-gedrag, dat verschilt van de abrupte reset bij Icc =10 mA. De geleidelijke reset wordt verklaard door de progressieve breuk van de geleidende gloeidraad [19]. De abrupte reset houdt verband met een onderbreking van de Joule-verwarmingsondersteuning [20]. De invloed van Joule-verwarming op het bipolaire RS-gedrag wordt weerspiegeld in het abrupte resetproces. Het bipolaire RS-gedrag kan worden beschouwd als een combinatie van een elektrochemisch mechanisme en Joule-verwarming bij hoge programmeerstromen [13, 21].

een De I-V-curven van de bipolaire bij verschillende compliantiestromen:Icc =10 mA (stippellijn), Icc =1 mA (blauwe lijn) en Icc =100 uA (groene lijn). De LRS-weerstand bij verschillende compliantiestromen bij afgelezen 0,1 V (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b De I-V-curven van het unipolaire gedrag bij verschillende compliantiestromen:Icc =10 mA (stippellijn), Icc =1 mA (blauwe lijn) en Icc =100 uA (zwarte lijn)

Afbeelding 4b toont de unipolaire kenmerken onder verschillende compliantiestromen (Icc =10 mA, Icc =1 mA en Icc =100 uA). De unipolaire schakeling wordt alleen waargenomen bij een compliantiestroom Icc =10 mA en 1 mA. Vergeleken met de resetspanning van de compliantiestroom Icc =10 mA binnen 1 V, wordt de resetspanning (Icc =1 mA) duidelijk verhoogd over 1,5 V en neemt de resetstroom af met ongeveer twee ordes van grootte (~ 724 uA) na de operatie resetten. De huidige waarde na het resetproces benadert de conformiteitsstroom. Het apparaat kan niet worden teruggezet naar de oorspronkelijke staat (~ 100 KΩ). Russo et al. stelde de kritische temperatuur voor (T _voltreffer ) voor het unipolaire resetproces in het zelfversnelde thermische oplossingsmodel [22]. Wanneer de temperatuur in de geleidende gloeidraad de kritische waarde bereikt onder een aangelegde reset-spanning tussen de twee elektroden, wordt de geleidende gloeidraad opgelost en verbroken in de reset-toestand. De functierelatie tussen de kritische temperatuur, spanning, stroom en weerstand kan als volgt worden beschreven:

T ₀ is kamertemperatuur, R _de is de effectieve thermische weerstand van de geleidende gloeidraad, die een zwakkere grootte-afhankelijkheid heeft, en het elektrische vermogen kan worden geschreven alsP _resetten = V _resetten · Ik _resetten . Voor de lagere compliantiestroom Icc =1 mA is een grotere resetspanning nodig. Wanneer het heetste punt van de geleidende gloeidraad de kritische temperatuur bereikt, verslechtert de thermische stabiliteit van de geleidende gloeidraad. De geleidende filamenten scheuren vervolgens. Het unipolaire RS-gedrag treedt dan op. De LRS-stroom is echter kleiner voor conformiteitsstroom Icc =100 uA. Zelfs als de resetspanning toeneemt, ondervindt de stroomwaarde moeilijkheden bij het bereiken van het stroomniveau bij de grotere compliantiestroom (Icc =1 mA en Icc =10 mA). De opgewekte Joule-verwarming is niet voldoende om de kritische temperatuur te bereiken. Er wordt dus geen unipolair RS-gedrag waargenomen. Als de resetspanning verder wordt verhoogd, kan het apparaat kapot gaan. Daarom wordt het unipolaire RS-gedrag aangedreven door Joule-verwarming in AlO_x RRAM.

Voor verder onderzoek naar de invloed van Joule-verwarming op het RS-gedrag worden de apparaten op verschillende temperaturen geplaatst. Tijdens het instelproces wordt de conformiteitsstroom Icc =10 mA gebruikt. De IV-curven van het bipolaire gedrag worden getoond in Fig. 5a. Het is vermeldenswaard dat het abrupte resetproces verandert in een geleidelijk resetproces waarbij de temperatuur daalt tot 40 K. Vergeleken met 300 K en 340 K kan de Joule-verwarming goed worden verspreid bij 40 K. Het effect van de Joule-verwarming kan tot een minimum teruggebracht. Zo speelt het elektrochemische mechanisme een grote rol tijdens het resetproces in het bipolaire schakelgedrag. Het geleidelijke resetproces wordt verklaard door een gedeeltelijk gescheurd geleidend filament. Het apparaat kan bij dezelfde resetspanning niet naar de uitgangstoestand worden teruggezet. Dit fenomeen wordt ook waargenomen bij andere metaaloxidematerialen [23]. Figuren 5b en c tonen de statistische verdeling van de bedrijfsstroom (HRS, LRS) en spanning (SET, RESET) bij bipolair schakelen bij verschillende temperaturen. Het is duidelijk dat de HRS-stroom afneemt met toenemende temperatuur. Bovendien neemt de SET-spanning toe met toenemende temperatuur. Deze waarnemingen suggereren dat de Joule-verwarming het breken van de geleidende filamenten beïnvloedt. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, blijven er minder geleidende filamenten in de AlO_x resistieve schakellaag tijdens het resetproces. Er worden meer isolerende toestanden met hoge weerstand verkregen. De SET-spanning neemt uiteraard toe. De LRS-stroom neemt iets toe met toenemende temperatuur, wat overeenkomt met het karakteristieke transport van een halfgeleider. Figuur 5d toont de IV-karakteristiek van het unipolaire gedrag bij verschillende temperaturen. Vergeleken met 300 K en 340 K kan het apparaat niet resetten naar de begintoestand bij 40 K, wat te wijten is aan thermische dissipatie. De temperatuur in de geleidende gloeidraad bereikt de kritische temperatuur niet. Het geleidende filament kan niet volledig worden gebroken. Het apparaat kan niet meer overschakelen naar de LRS bij de conformiteitsstroom Icc =10 mA (de blauwe stippellijn). Figuren 5e en f tonen de statistische verdeling van de bedrijfsstroom (HRS, LRS) en spanning (SET, RESET) bij unipolair schakelen bij verschillende temperaturen. Evenzo worden een hogere HRS-stroom en een grotere SET-spanning waargenomen bij toenemende temperatuur. Joule-verwarming wordt dus als essentieel beschouwd voor het unipolaire RS-gedrag.

een De IV-curven van het bipolaire gedrag bij verschillende temperaturen (40 K (blauwe lijn), 300 K (rode stippellijn) en 340 K (groene lijn)) met een compliantiestroom Icc =10 mA. b Statistisch resultaat van de HRS- en LRS-stroom voor 20 bipolaire schakelcycli bij verschillende temperaturen (40 K, 300 K en 340 K). c Statistisch resultaat van de SET- en RESET-spanning voor 20 bipolaire schakelcycli bij verschillende temperaturen (40 K, 300 K en 340 K). d De IV-curven van het unipolaire gedrag bij verschillende temperaturen (40 K (blauwe lijn), 300 K (rode stippellijn) en 340 K (groene lijn)) met een compliantiestroom Icc =10 mA. De blauwe stippellijn geeft het volgende ingestelde proces aan na de resetbewerking. e Statistisch resultaat van de HRS- en LRS-stroom voor 20 unipolaire schakelcycli bij verschillende temperaturen (300 K en 340 K). v Statistisch resultaat van de SET- en RESET-spanning voor 20 unipolaire schakelcycli bij verschillende temperaturen (300 K en 340 K)

Voor een betere studie van het geleidingsmechanisme schatten we voorlopig het schakelmechanisme door de I-V-curve aan te passen. De IV-curve wordt opnieuw uitgezet in een dubbellogaritmische grafiek, zoals weergegeven in figuur 6a. De LRS vertoont een Ohms geleidend gedrag met een helling dicht bij 1, wat waarschijnlijk wordt veroorzaakt door de vorming van geleidende filamenten [24]. De HRS kan in twee gebieden worden verdeeld:in het laagspanningsgebied (< 0,4 V, gebied 1) wordt het Ohmse geleidingsgedrag waargenomen, terwijl in het hoogspanningsgebied (> 0,4 V, gebied 2) de helling is dicht bij 2. Het transportgedrag komt overeen met de ruimteladingbeperkte geleiding (SCLC) [25]. In het SCLC-model is de stroomdichtheid J voor trap-gecontroleerde SCLC-emissies kan worden omschreven als

een Lineaire aanpassing voor de IV-curven met behulp van een log-logschaal in de positieve bias. b Temperatuurafhankelijkheid van de stroom voor de HRS van 250 K tot 340 K. c De activeringsenergie E _α bij verschillende spanningen wordt samengevat. De inzet toont een Arrhenius-grafiek van de huidige temperatuurgegevens bij verschillende spanningen in de HRS. d Temperatuurafhankelijkheid van de stroom voor de LRS van 250 K tot 340 K. e De relatie van geleidbaarheid ln I versus temperatuur T ^−1/4 . De leesspanning is 0,1 V. f De activeringsenergie E _α =9,93 meV wordt berekend

waar q is de elementaire lading, n ₀ is de thermisch gegenereerde vrije dragers, μ is de elektronenmobiliteit, ε _r is de statische diëlektrische constante, ε ₀ is de permittiviteit van de ruimte, θ is de verhouding tussen de dichtheid van de vrije drager en de dichtheid van de totale drager, V is de aangelegde spanning en d is de filmdikte. In regio 1 (lage aangelegde spanning), overeenkomend met de wet van Ohm (I ∝ V ¹ ), kan een klein aantal dragers worden gegenereerd als gevolg van thermische excitatie en worden geëxciteerd naar de geleidingsband vanuit de valentieband of het onzuiverheidsniveau in dit gebied. Wanneer de aangelegde spanning toeneemt, komen de geïnjecteerde dragers vast te zitten. De geleiding wordt ruimtelading-beperkt. De stroom van de HRS volgt een kwadratische wet (I ∝ V ² ) in regio 2. Figuur 6b toont de temperatuurafhankelijkheid van de HRS-stroom. De stroom neemt toe met toenemende temperatuur, wat een halfgeleiderachtig geleidend gedrag suggereert [26, 27]. Van de hellingen van Arrhenius-type plots van de gegevens (de inzet van Fig. 6c), de activeringsenergie (E _α ) van 0,01 V tot 2 V is zoals samengevat in Fig. 6c. De resultaten geven aan dat E _α is relatief hoog (~ 0.15 eV) in het laagspanningsgebied en vertoont Ohms geleidingsgedrag. Naarmate de spanning toeneemt, E _α neemt af, wat een kenmerkend kenmerk is van SCLC [28]. De temperatuurafhankelijke IV-analyses ondersteunen duidelijk het SCLC-geleidingsmechanisme in de HRS.

Figuur 6d laat zien dat de stroom van de LRS iets toeneemt met toenemende temperatuur, wat een halfgeleiderachtig geleidend gedrag vertoont. Metaalgeleidende filamenten zijn uitgesloten. Figuur 6e toont een lineair verband tussen ln (I) en T ^−1/4 , wat suggereert dat het mechanisme van de LRS voldoet aan Mott's variabel bereik-hoppingmodel [29, 30]. Als de energieniveaus van twee gelokaliseerde toestanden dicht genoeg bij elkaar liggen en de golffuncties elkaar overlappen, kunnen elektronen tussen de twee locaties springen, geholpen door thermische energie. De waarde van activeringsenergie E _α is 9,93 meV voor de LRS, zoals weergegeven in Fig. 6f, wat kleiner is dan 26 meV (de activeringsenergie bij kamertemperatuur). Deze waarde zorgt voor het variabele bereik van de elektronen bij kamertemperatuur. In andere metaaloxide-halfgeleiders wordt het hoppingmechanisme ook waargenomen in de LRS, en de I-V-curve-fitting toont het Ohmse geleidende gedrag bij kamertemperatuur [31]. Het resistieve schakelmechanisme in de LRS is dus gerelateerd aan zuurstofvacatures in de geleidende filamenten.

Afbeelding 7 illustreert de unipolaire en bipolaire resistieve schakelmodellen. Voor het unipolaire en bipolaire RS-gedrag in het ingestelde proces migreren zuurstofionen naar de bovenste elektrode onder een elektrisch veld. Ten slotte worden de zuurstofionen gereduceerd, waardoor zuurstofvacatures in de AlO_x . ontstaan resistieve schakellaag. Een grote opeenhoping van zuurstofvacatures vormt zuurstofgeleidende filamenten tussen de ITO- en niet-geoxideerde Al-lagen. Het apparaat is ingesteld op de LRS. De elektronen springen door het geleidende filament dat bestaat uit zuurstofvacatures, zoals weergegeven in figuur 7 (a) en (c). Voor het unipolaire RS-gedrag in het resetproces wordt de compliantiestroom verwijderd. De positieve voorspanning wordt opnieuw toegepast en de stroom neemt toe met toenemende spanning. Wanneer het hoogste temperatuurpunt in de geleidende gloeidraad de kritische temperatuur bereikt, wordt de stabiliteit van de geleidende gloeidraad slechter en kan deze gemakkelijk worden verbroken. Het apparaat schakelt over naar de HRS nadat het geleidende filament is vernietigd, zoals weergegeven in Fig. 7(b). In het bipolaire RS-gedrag wordt een negatieve bias toegepast op de bovenste elektrode. Zuurstofionen worden terug naar de AlO_x . gehaald interface laag. De geleidende filamenten scheuren, zoals weergegeven in figuur 7(d). Het apparaat wordt teruggezet naar de HRS. Wanneer de resetstroom relatief groter is, verbetert Joule-verwarming het breukproces van de geleidende gloeidraad. Er verschijnt een abrupte overgang in het resetproces. Het elektronentransportmechanisme in de HRS wordt gedomineerd door het SCLC-mechanisme in beide RS-gedragingen.

Het schakelmechanisme schema van de AlO_x -gebaseerd RRAM-apparaat. (een ) Proces voor unipolair schakelen onder positieve spanning instellen. Geleidende filamenten bestaan ​​uit zuurstofvacatures. De zwarte pijlen geven de richting van de elektronenmigratie aan. (b ) Resetproces voor unipolair schakelen onder positieve spanning. Het geleidende filament wordt gescheurd door Joule-verwarming. Elektronen worden gevangen door defecten. Het geleidende mechanisme in de HRS wordt gedomineerd door SCLC. (c ) Instelproces voor bipolair schakelen onder positieve spanning. (d ) Resetproces voor bipolair schakelen onder een negatieve spanning. De geleidende filamenten scheuren

Conclusies

In dit artikel wordt het naast elkaar bestaan ​​van het unipolaire en bipolaire resistieve schakelgedrag waargenomen in AlO_x gebaseerd RRAM. Door de stroom-spanningskarakteristieken van de unipolaire en bipolaire schakeling bij verschillende compliantiestromen en variërende werktemperaturen te onderzoeken, stellen we voor dat Joule-verwarming essentieel is voor het unipolaire resistieve schakelgedrag in AlO_x gebaseerd RRAM. Wanneer tijdens het resetproces een hoge programmeerstroom door de geleidende gloeidraad stroomt, bereikt de lokale temperatuur in de geleidende filamenten de kritische temperatuur en scheuren de geleidende filamenten. Unipolair RS-gedrag treedt op. In het bipolaire resistieve schakelgedrag wordt het resetproces niet alleen toegeschreven aan het elektrochemische mechanisme, maar ook aan de Joule-verwarming. Thermische veroorzaakt breuk van de geleidende gloeidraad wanneer het apparaat een hoge wisstroom heeft, wat resulteert in een hogere weerstand van de HRS en een grotere SET-bedrijfsspanning in AlO_x gebaseerd RRAM. Joule-verwarming is dus een niet te verwaarlozen factor van de RS-prestaties. Deze resultaten zullen ons helpen de invloed van Joule-verwarming op het resistieve schakelgedrag in AlO_x goed te begrijpen. gebaseerd RRAM. Verder wordt het geleidende mechanisme bestudeerd. Het geleidende mechanisme voor de LRS is te wijten aan het feit dat de elektronen door geleidende paden springen. Voor de HRS wordt het geleidende mechanisme gedomineerd door het SCLC-mechanisme.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens en materialen zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

RS:

Resistief schakelen

SCLC:

Geleiding met beperkte ruimtelading

RRAM:

Resistief schakelend willekeurig toegankelijk geheugen

HRS:

Staat met hoge weerstand

LRS:

Staat met lage weerstand

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

HRTEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie

EDX:

Energiedispersieve röntgenspectroscopie