Funciones duales del dispositivo V / SiOx / AlOy / p ++ Si como selector y memoria

Resultados y discusión

La figura 1a muestra la estructura esquemática de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si. Tres V amorfos, SiO _x y AlO _y Las capas y la capa de Si monocristalino se observan mediante una imagen de sección transversal de microscopía electrónica de transmisión (TEM) como se muestra en la Fig. 1b. Los espesores del SiO _x y AlO _y las capas son de 5,5 y 1,5 nm, respectivamente. Para confirmar la relación de composición de dos películas dieléctricas, se realizó un análisis XPS (archivo adicional 1). La x valor de SiO _x y el y valor de AlO _y son 0,88 y 1,33, respectivamente. Nuestro SiO _x película con PECVD en comparación con SiO ₂ depositado mediante oxidación seca se deposita a una temperatura mucho más baja y tiene muchos más defectos, lo que los hace adecuados para la conmutación resistiva a voltajes relativamente más bajos. La figura 2a muestra el cambio de umbral típico de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si. La conmutación inicial con un proceso de formación positivo requiere un voltaje más alto que la conmutación de umbral posterior, ya que las capas dieléctricas tienen defectos inicialmente más pequeños. Se aplica un CCL de 1 μA al dispositivo para evitar la formación de filamentos conductores excesivos en el SiO _x capa. La corriente de fuga es muy baja (100 pA a 1 V) en comparación con el cambio de umbral de VO _{x informado anteriormente} . Esta ventaja se atribuye al Al ₂ O ₃ con mayor permitividad y conductividad térmica en comparación con el SiO ₂ . El estado desactivado tiene la propiedad de aislar porque los filamentos se rompen fácilmente y luego no quedan filamentos. Un posible mecanismo para el cambio de umbral es la oxidación del V TE del oxígeno suministrado por el SiO _x capa durante el proceso de formación positiva como se muestra en la Fig. 2b. La propiedad eléctrica de VO _x entre V TE y SiO _x La capa puede cambiar de un estado aislante a un estado metálico, provocando un cambio repentino en la resistencia. Un CCL bajo de 1 μA no es suficiente para producir filamentos conductores eficientes dentro del SiO _x película. Por lo tanto, SiO _x con propiedades aislantes puede ser otra causa para reducir la corriente de salida. Para un proceso de formación negativo de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Si dispositivo, no se observa un cambio de umbral (ver archivo adicional 1). Cuando se aplica el sesgo negativo al V TE, el movimiento del óxido se mueve hacia el Si BE, de modo que el V TE ya no puede participar en el cambio de umbral como VO _x . El recuadro de la Fig. 2a muestra el voltaje umbral (V _th ) y mantener el voltaje (V _hold ) durante los 100 ciclos. La V _ésima donde la corriente aumenta bruscamente con una pendiente casi infinita entre 1.08 y 1.82 V, y V _hold en cuyo punto el retorno de la corriente a un estado de alta resistencia se encuentra entre 0,12 y 0,54 V. La figura 2c muestra las características I – V en la corriente a diferentes temperaturas. A 25 ° C y 55 ° C, muestran un cambio de umbral casi similar, pero la curva I – V a una temperatura más alta de 85 ° C pierde la propiedad de cambio de umbral. Es bien sabido que VO _x pierde su MIT a altas temperaturas. Por lo tanto, este resultado es otra prueba de que VO _x es la principal causa del cambio de umbral. La figura 2d muestra las características transitorias para la conmutación de umbral. El pulso con la amplitud de 1 V monitoreó la corriente de lectura antes y después del pulso de escritura con un ancho de 1 μs. La alta corriente fue monitoreada mientras se aplicaba el pulso con alta amplitud al dispositivo, y luego, el V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ El dispositivo Si apagó la corriente inmediatamente después de que se eliminó el pulso de escritura. Las propiedades del selector analizadas anteriormente se pueden usar cuando se combinan con la operación de elementos de memoria por debajo de 1 μA [55, 56].

Configuración del dispositivo de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Si. un Dibujo esquemático y b Imagen TEM

Conmutación de umbral unidireccional de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Si cuando se aplica un conformado positivo con CCL de 1 μA. un Curvas I – V típicas. b Dibujo esquemático del proceso de conformado. c Características I – V por dependencia de la temperatura. d Características transitorias

La Figura 3a muestra la conmutación resistiva bipolar de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo de Si después de una formación positiva con CCL de 100 μA. Luego, el proceso de reinicio con un rápido aumento de la resistencia se realiza barriendo el voltaje negativo y el dispositivo se cambia a un estado de alta resistencia (HRS). El proceso de ajuste con una rápida disminución de la resistencia se produce luego a un voltaje de polarización positivo, lo que hace que el dispositivo vuelva a un estado de baja resistencia (LRS). Para comprender las propiedades del filamento conductor, observamos la conductancia normalizada y la dependencia de la temperatura. La conducción en el LRS es una pauta importante para informar indirectamente las propiedades del filamento conductor. La Figura 3b muestra la conductancia normalizada (G _N ) que se define como la conductancia dinámica (G _d ) dividir por conductancia estática (G ₀ ) para curvas I – V de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo de Si en el LRS con diferentes temperaturas. Independientemente de la temperatura, el G _N el valor converge a 1 cuando el voltaje es cero. Esto nos permite descartar el conocido mecanismo de conducción como la emisión de Schottky, el túnel de Fowler-Nordheim y la ley de Child (I ~ V ² ) en corriente limitada de carga espacial (SCLC). La conducción óhmica metálica también se puede excluir considerando la dependencia de la temperatura como se muestra en la Fig. 3c. La disminución de la resistencia al aumentar la temperatura sugiere que el filamento conductor tiene una propiedad semiconductora. Por lo tanto, podemos excluir la penetración de V en el SiO _x capa para el filamento conductor principal de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si en LRS. Por lo tanto, la operación de memoria bipolar del V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ El dispositivo de Si está dominado por la conmutación intrínseca de SiO _x . También se confirma que las corrientes positivas y negativas no son muy diferentes, lo que sugiere que en lugar de un tipo de interfaz como la emisión de Schottky, está dominada por la conducción en masa. Teniendo en cuenta la conductancia normalizada mencionada anteriormente, existen dos posibles mecanismos de conducción dominante en masa. El primero es la conducción por salto siguiendo la fórmula:

Conmutación de memoria de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Si cuando se aplica un conformado positivo con CCL de 30 μA. un Curvas I – V típicas. b Conductancia normalizada. c En (I) versus 1000 / T. d Dibujo esquemático del proceso de conformado

donde q , n , a , ø _T , v _o y d son la carga eléctrica, la concentración de la carga espacial, la media de la distancia de salto, la altura de la barrera de electrones para el salto, la frecuencia de vibración intrínseca y el espesor de la película dieléctrica, respectivamente. El ø _T calculado a partir de la pendiente de un gráfico lineal de ln (I) frente a 1000 / T es 0,463 eV como se muestra en la Fig. 3c. Un valor calculado a partir de la relación entre E _a y V es 5,17 nm, lo que indica el filamento conductor formado en el SiO _x no es fuerte y está cerca del estado HRS. El otro mecanismo de conducción, la emisión de Poole-Frenkel (P-F), se trató en el archivo adicional 1. Según los resultados anteriores, el modelo de filamento conductor en la operación de memoria de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ El dispositivo de Si se muestra en la Fig. 3d. En el proceso de formación positiva, el proceso de oxidación procedió en el lado V TE, pero debido al alto CCL, se puede formar un filamento conductor dentro del SiO _x y AlO _y debido al movimiento de las vacantes de oxígeno. Durante el proceso de reinicio, el campo eléctrico opuesto al de formación y fraguado induce el oxígeno y la recombinación con la vacante de oxígeno, lo que resulta en la ruptura del filamento conductor. Se observa que las operaciones de selector y memoria se observan en la misma celda. La operación de memoria es posible después de que se haya producido la operación de umbral y luego el interruptor esté completamente apagado. Sin embargo, la dirección inversa no es posible porque la conmutación de reinicio de la operación de memoria no está completamente desactivada.

La Figura 4a muestra curvas I – V normalizadas en el LRS de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo de Si en régimen de bajo voltaje (0 ~ 1 V) para diferentes condiciones CCL (5 μA, 30 μA y 1 mA). Aquí, la curva I – V normalizada se define como la corriente en cada voltaje dividida por la corriente a 1 V. Dado que los niveles de la corriente LRS que dependen de la CCL varían, establecemos el valor de la corriente en 1 V para comparar fácilmente la no linealidad. Se puede observar que a medida que disminuye el CCL, la corriente se suprime en un régimen de voltaje más bajo. Para derivar una relación más cuantitativa, la no linealidad se define como la relación de la corriente en V _READ a eso en la mitad de V _READ . La Figura 4b muestra la corriente de lectura a 1 V y la no linealidad como una función de CCL para V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si. La disminución en la corriente de lectura debido a la reducción de CCL sugiere que el filamento conductor se vuelve más fino y luego aumenta la no linealidad. La película de óxido de silicio intrínseca exhibe una alta no linealidad incluso en una sola capa. La propiedad no lineal intrínseca se debe a la naturaleza en masa del óxido de silicio más que a la interfaz del silicio. Cuanto más pequeña es la CCL, menos degradación se genera en el SiO _x , por lo que se puede minimizar la reducción del nivel de energía de la trampa en el LRS en comparación con el del HRS. Por lo tanto, la barrera de energía más alta puede maximizar la no linealidad en el estado LRS cuando se aplica una CCL más baja al dispositivo. De manera similar, la conducción descrita por la emisión P-F en el TaO _x / TiO _y stack asegura una alta no linealidad [57]. Otra posibilidad es que debido a que la constante dieléctrica del óxido es menor, se hagan más pases a la película de óxido debido a la concentración del campo. Esto puede conducir a la disminución del nivel de energía de la trampa de la capa de óxido, que se puede esperar que sirva como una barrera de túnel para Al ₂ O ₃ . Obtener el margen de lectura (∆V) en n × n matriz de puntos cruzados, utilizamos el circuito equivalente simplificado como se muestra en la Fig. 4c. Considerando el peor de los casos, las celdas adyacentes se establecen en el LRS y la resistencia de carga (R _L ) a la resistencia LRS. El ∆V se calculó a partir de la diferencia entre V _OUT en LRS y V _OUT en HRS. La Figura 4d muestra el ∆V en función del número de líneas de palabras ( n ) para V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si. Cuanto menor sea el CCL, mayor será el ∆V porque aumenta la no linealidad. Cuando se asegura un margen de lectura del 10%, la matriz se puede expandir a aproximadamente más de 10 × 10 para CCL de 5 μA y a 5 × 5 para CCL de 1 mA. El tamaño de la matriz para soportar la corriente furtiva no es suficiente, pero ayudará a expandir el tamaño de la matriz cuando el dispositivo con función de selector esté conectado en un V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Dispositivo Si. En comparación con la lectura de 0,5 V en todos los CCL, tiene una mayor no linealidad con lectura a 1 V. Aunque el V _READ es bajo conduce a una baja potencia estática en la operación de lectura, el valor de no linealidad se vuelve más pequeño, lo que se debe al hecho de que el campo eléctrico es menor en el SiO _x / AlO _y capa en V _READ más pequeña .

Características no lineales de V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Si para cambio de memoria. un Curvas I – V con diferentes CCL. b Leer actual y no linealidad como funciones de CCL. c Circuitos equivalentes de matriz de puntos cruzados. d Lea el margen en función del número de línea de palabra para diferentes CCL y lea el voltaje

Conclusiones

En este trabajo, un V / SiO _x / AlO _y / p ⁺⁺ Se investiga un dispositivo de Si que tiene un selector y una función de memoria simplemente controlando CCL. Cuando se aplica un CCL de 1 μA o menos, se observa una conmutación de umbral unidireccional para la aplicación del selector. La formación positiva oxida el electrodo V y el fenómeno MIT de VO _x puede inducir un cambio de umbral. El AlO _y capa es capaz de lograr una alta selectividad de 10 ⁴ reduciendo la corriente de salida. Por otro lado, cuando se aplica un CCL de 5 μA o más, se observa un cambio de memoria a medida que se forman filamentos conductores efectivos en el SiO _x capa. Cuanto menor sea el CCL, mayor será la no linealidad, lo que ayuda a aumentar el tamaño de la matriz de puntos cruzados.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

BE:

Electrodo inferior

CCL:

Límite actual de cumplimiento

CRS:

Conmutación resistiva complementaria

DRAM:

Memoria dinámica de acceso aleatorio

HRS:

Estado de alta resistencia

I – V:

Corriente-voltaje

LRS:

Estado de baja resistencia

MIT:

Transición de metal-aislante

OTS:

Cambio de umbral ovónico

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

P-F:

Poole-Frenkel

RRAM:

Memoria resistiva de acceso aleatorio

SCLC:

Corriente limitada por carga espacial

SCM:

Memoria de clase de almacenamiento

SPA:

Analizador de parámetros de semiconductores

SSD:

Unidad de estado sólido

TE:

Electrodo superior

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

V:

Vanadio

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