Drempelwisseling van Ag-Ga2Te3-selector met hoge duurzaamheid voor toepassingen op cross-point-arrays

Resultaten en discussie

Figuur 2a toont een transversaal TEM-beeld van het ongerepte TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-stack van een selectorapparaat. De Ag-tussenlaag met een dikte van 10 nm werd niet waargenomen bovenop de Ga₂ Te₃ dunne film. Figuur 2b presenteert de EDS-toewijzing van de Ga-, Te-, Ag- en Ti-elementen voor het rode rechthoekige gebied gemarkeerd in figuur 2a. De EDS-afbeeldingen laten zien dat Ag uniform is verdeeld in de Ga₂ Te₃ film, hoewel een co-sputteringsproces van Ag niet werd toegepast. De homogene Ag-Ga₂ Te₃ film kan zijn gevormd waarschijnlijk vanwege de diffusie van Ag tijdens de stapelvorming. Een dergelijke snelle homogenisatie van Ag werd ook gerapporteerd voor de GeTe-films [30,31,32]. Ag kan diffunderen in de Ga₂ Te₃ dunne film als gevolg van defecten zoals NBT en Ga-vacatures in de Ga₂ Te₃ dunne films [18, 27,28,29].

een Dwarsdoorsnede TEM-beeld van de TiN/Ag-Ga₂ Te₃ /TiN-apparaatstructuur. b TEM–EDS-afbeeldingen van Ga, Te, Ag en Ti voor het rode rechthoekige gebied gemarkeerd in a

Afbeelding 3a toont de stroom-spanning (I−V) kenmerken van de Ag-Ga₂ Te₃ apparaten met een bodemelektrodegebied van 0,42 µm × 0,42 µm gedurende 100 opeenvolgende cycli van DC-sweeps. Het apparaat vertoonde TS-kenmerken zonder een vormproces. Toen de spanning op TE van 0 naar 1,5 V steeg, nam de geleidingsstroom abrupt toe bij de V _TH ≈ 0,87 V tot I _comp die was ingesteld op 1 A, wat aangaf dat het apparaat overschakelde van een staat met hoge weerstand (HRS) naar een staat met lage weerstand (LRS). Het apparaat ontspande terug naar de HRS bij V _{Houd vast} ≈ 0,12 V toen de spanning werd verlaagd van 1,5 naar 0 V, wat een aanzienlijk verschil aantoont tussen V _TH en V _{Houd vast} . De uit-statusstroom bij V _TH werd gemeten als minder dan 100 fA, wat overeenkomt met een van de laagste waarden in vergelijking met eerder gerapporteerde op chalcogenide gebaseerde selectors die actieve metalen zoals Ag of Cu gebruiken [14, 18, 25, 30, 33]. De selectiviteit, die wordt gedefinieerd als de verhouding van de stroom in de aan-stand tot de stroom in de uit-stand, was ongeveer 10 ⁸ . Zoals getoond in Fig. 3b, vertoonden de I−V-curven stabiele TS-kenmerken voor verschillende I _comp waarden variërend van 10 nA tot 10 µA, wat de flexibiliteit in de bedrijfsstroom aangeeft. De vormvrije TS met een groot verschil tussen V _TH en V _{Houd vast} van de Ag-Ga₂ Te₃ selector-apparaten zijn duidelijk gunstiger dan de TS-kenmerken van de Ga₂ Te₃ -alleen OTS-selectorapparaten [34]. Omdat het vormingsproces wordt beschouwd als een potentieel obstakel voor echte apparaattoepassingen, zijn de vormingsvrije eigenschappen van de Ag-Ga₂ Te₃ apparaat zijn gunstiger dan selector apparaat, die een vormingsproces vereist [35]. Verder is de TS-karakteristiek met een grote hysterese van de Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat kan de operationele complexiteit van de CPA-structuur verlagen en de strenge spanningsaanpassingsvereisten verlichten [18, 19]. Bovendien is de Ag-Ga₂ Te₃ selector toont een steile inschakelhelling van 0,19 mV/dec met een scansnelheid van 1,5 mV per meetstap, zoals weergegeven in Fig. 3c. De Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat vertoonde uitstekende eigenschappen, waaronder zijn hoge selectiviteit (10 ⁸ ), lage stroom buiten de staat (<100 fA), steile inschakelhelling (0,19 mV/dec) en vormingsvrije kenmerken.

een Ik –V kenmerken van de Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat voor DC-spanningszwaairesultaten gedurende 100 opeenvolgende cycli. De Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat vertoont een aanzienlijk lage lekstroom (< 100 fA) met een aan/uit-verhouding van 10 ⁸ . b TS-kenmerken van de Ag-Ga₂ Te₃ -gebaseerd selectieapparaat bij verschillende I _comp waarden van 10 nA tot 10 μA. c Close-up van de I –V curve bij TS met een inschakelhelling van 0,19 mV/dec

Aangezien variatie in apparaatprestaties een cruciale factor is voor de toepassing van een selector op een CPA-structuur, zijn de distributies van V _TH , V _{Houd vast} , weerstand van de staat met hoge weerstand (R _HRS ), en weerstand van de toestand met lage weerstand (R _LRS ) werden onderzocht voor 25 willekeurige apparaten. Figuur 4a laat zien dat de verdeling van de drempelspanning varieerde van 0,75 tot 1,08 V, terwijl de houdspanningsverdeling varieerde van 0,06 tot 0,375 V. Bovendien varieerde de weerstandsverdeling op de HRS van 10 ¹¹ tot 10 ¹⁴ Ω, terwijl de weerstand bij de LRS ongeveer 10 ⁶ . was Ω, zoals getoond in Fig. 4b. Vanwege de vorming van metalen geleidingskanalen vertonen selector-apparaten die actieve metalen zoals Ag of Cu gebruiken relatief grote variatiekenmerken [36, 37]. Dienovereenkomstig zijn er onderzoeken gerapporteerd over het verbeteren van de betrouwbaarheid van deze kenmerken via doping of het inbrengen van een bufferlaag [37, 38].

een Apparaat-naar-apparaat variaties van V _TH en V _{Houd vast} voor 25 apparaten. b Apparaat-naar-apparaat variaties van R _HRS en R _LRS voor 25 apparaten

Om de tijdelijke respons van de Ag-Ga₂ . te onderzoeken Te₃ selector, werd de stroom gemeten met behulp van een snelle meeteenheid van de golfvormgenerator (WGFMU) tijdens een spanningspuls met een hoogte van 3 V, een stijg-daaltijd van 100 ns en een duur van 1,5 μs met een externe belastingsweerstand van 1 MΩ, zoals getoond in figuur 5a. De geleidingsstroom van de Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat bereikte zijn piekwaarde na 406 ns vanaf het punt waarop de spanning zijn maximum van 3 V bereikte. Bovendien werd het apparaat binnen 605 ns nadat de aangelegde spanning was verwijderd, in de uit-stand geschakeld. Vandaar dat de in- en uitschakeltijd van de Ag-Ga₂ Te₃ selector werden geschat op respectievelijk ongeveer 400 ns en 600 ns. Het langzame schakelen van de Ag-Ga₂ Te₃ selector kan worden toegeschreven aan de migratie- en redoxreacties van Ag voor de vorming van het geleidingskanaal. Daarnaast is de invloed van de aangelegde spanning en meettemperatuur op de schakeltijd onderzocht bij een ingangsspanning van 1,5−5 V en bij een meettemperatuur van 298−375 K. De inschakeltijd is teruggebracht van 1 μs naar 294 ns, terwijl de uitschakeltijd werd verhoogd van 400 ns naar 849 ns naarmate de pulsspanning werd verhoogd van 1,5 naar 3,5 V, zoals weergegeven in Fig. 5b. De afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de aangelegde spanning is vergelijkbaar met de eerder gerapporteerde resultaten van Ag-laag op HfO₂ en TiO₂ [39]. Bovendien blijkt uit figuur 5c dat de in- en uitschakeltijden afnemen bij toenemende meettemperatuur. Volgens de Arrhenius-grafiek van schakelsnelheid tegen meettemperatuur getoond in Fig. 5d, kan de exponentiële afhankelijkheid van schakelsnelheid op meettemperatuur worden toegeschreven aan thermisch gefaciliteerde processen, zoals de diffusie van Ag-atomen in de elektrolytfilmmatrix [40]. De activeringsenergieën voor in- en uitschakelen werden geschat op respectievelijk 0,50 eV en 0,40 eV, wat vergelijkbaar is met die gepresenteerd in een eerder rapport over een op Ag-filament gebaseerd apparaat [41]. Er werd gemeld dat de geleidende Ag-kanalen werden gevormd onder elektrische voorspanning in HfO₂ , SiO₂ , en TiO₂ [15, 42, 43]. In dit onderzoek werd echter waargenomen dat Ag uniform verdeeld was in het ongerepte Ga₂ Te₃ films. Hoewel het mechanisme voor TS in Ga₂ Te₃ films met uniforme verdeling van Ag is niet duidelijk begrepen, Ag kan verband houden met de vorming van geleidende kanalen in Ga₂ Te₃ films onder elektrische voorspanning. Daarom is de afhankelijkheid van de schakelsnelheid van de ingangsspanning en de meettemperatuur van de Ag-Ga₂ Te₃ selectieapparaat kan worden toegeschreven aan de vorming van de geleidende kanalen.

een AC Ik –V meting van de Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat (meetomstandigheden:stijgende tijd = 100 ns, duur = 1,5 μs, dalende tijd = 100 ns en ingangsspanning = 3 V). b Schakelsnelheid afhankelijk van aangelegde pulsspanning. c Schakelsnelheid afhankelijk van meettemperatuur. d Arrhenius-grafiek van schakelsnelheid tegen meettemperatuur

De AC-duurzaamheidskarakteristiek werd onderzocht onder dezelfde spanningspulsconditie als die van de schakelsnelheidstest. De leesspanningen voor de HRS en LRS waren respectievelijk 0,5 en 3 V. De gemeten weerstanden van de HRS en LRS werden uitgezet voor 450 punten per decennium, zoals weergegeven in Fig. 6. De Ag-Ga₂ Te₃ selectorapparaat vertoonde stabiele uithoudingsvermogenkenmerken tot 10 ⁹ cycli met een selectiviteit van 10 ⁸ , waardoor uitstekende schakeluithoudingsvermogen wordt aangetoond in vergelijking met die van andere selectors die chalcogenide en actieve metalen gebruikten [18, 25, 30].

AC-duurzaamheidskarakteristiek van de Ag-Ga₂ Te₃ keuzeapparaat tot 10 ⁹ cycli (0,5 V en 3 V leesspanningen voor R _HRS en R _LRS , respectievelijk)