Conmutación de umbral del selector Ag-Ga2Te3 con alta resistencia para aplicaciones en matrices de puntos cruzados

Resultados y discusión

La Figura 2a muestra una imagen TEM en sección transversal del prístino TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ / Pila TiN de un dispositivo selector. La capa intermedia de Ag con un grosor de 10 nm no se observó en la parte superior del Ga ₂ Te ₃ película delgada. La Figura 2b presenta el mapeo EDS de los elementos Ga, Te, Ag y Ti para la región rectangular roja marcada en la Figura 2a. Las imágenes de mapeo de EDS muestran que Ag se distribuye uniformemente en el Ga ₂ Te ₃ película a pesar de que no se aplicó un proceso de co-pulverización catódica de Ag. El Ag-Ga ₂ homogéneo Te ₃ Es posible que se haya formado una película probablemente debido a la difusión de Ag durante la formación de la pila. Esta rápida homogeneización de Ag también se informó para las películas de GeTe [30, 31, 32]. Ag puede difundirse en el Ga ₂ Te ₃ película delgada debido a defectos como NBT y Ga vacantes en el Ga ₂ Te ₃ películas delgadas [18, 27,28,29].

un Imagen TEM transversal del TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ / Estructura del dispositivo TiN. b Imágenes de mapeo TEM-EDS de Ga, Te, Ag y Ti para la región rectangular roja marcada en a

La Figura 3a muestra las características de corriente-voltaje (I − V) del Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivos con un área de electrodo inferior de 0,42 µm × 0,42 µm durante 100 ciclos consecutivos de barridos de CC. El dispositivo mostró características TS sin un proceso de formación. Cuando el voltaje en TE pasó de 0 a 1,5 V, la corriente de conducción aumentó abruptamente en el V _TH ≈ 0,87 V a I _comp que se estableció en 1 µA, lo que indica que el dispositivo cambió de un estado de alta resistencia (HRS) a un estado de baja resistencia (LRS). El dispositivo se relajó de nuevo al HRS en V _Mantener ≈ 0,12 V cuando el voltaje se redujo de 1,5 a 0 V, lo que demuestra una diferencia considerable entre V _TH y V _Mantener . La corriente de estado desactivado en V _TH se midió en menos de 100 fA, que corresponde a uno de los valores más bajos en comparación con los selectores basados ​​en calcogenuro informados anteriormente que utilizan metales activos como Ag o Cu [14, 18, 25, 30, 33]. La selectividad, que se define como la relación entre la corriente en estado activo y la corriente en estado inactivo, fue de aproximadamente 10 ⁸ . Como se muestra en la Fig. 3b, las curvas I-V mostraron características TS estables para varios I _comp valores que van desde 10 nA a 10 µA, lo que indica su flexibilidad en la corriente de operación. El TS sin formación con una gran diferencia entre V _TH y V _Mantener del Ag-Ga ₂ Te ₃ Los dispositivos selectores son claramente favorables sobre las características TS del Ga ₂ Te ₃ -sólo dispositivos selectores OTS [34]. Debido a que el proceso de formación se considera un obstáculo potencial para aplicaciones de dispositivos reales, las características libres de formación del Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo son más favorables que el dispositivo selector, que requiere un proceso de formación [35]. Además, la característica TS con una gran histéresis del Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector puede reducir la complejidad operativa de la estructura del CPA y facilitar los estrictos requisitos de adaptación de voltaje [18, 19]. Además, el Ag-Ga ₂ Te ₃ El selector muestra una pendiente pronunciada de activación de 0,19 mV / dec con una velocidad de exploración de 1,5 mV por paso de medición, como se muestra en la Fig. 3c. El Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector demostró excelentes características, incluida su alta selectividad (10 ⁸ ), baja corriente en estado apagado (<100 fA), pendiente pronunciada de encendido (0.19 mV / dec) y características sin formación.

un yo - V características del Ag-Ga ₂ Te ₃ Dispositivo selector para resultados de barrido de voltaje CC durante 100 ciclos consecutivos. El Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector muestra una corriente de fuga significativamente baja (<100 fA) con una relación de encendido / apagado de 10 ⁸ . b Características TS del Ag-Ga ₂ Te ₃ -dispositivo selector basado en varios I _comp valores de 10 nA a 10 μA. c Vista de cerca del I - V curva en TS que muestra una pendiente de encendido de 0,19 mV / dec

Como la variación en el rendimiento del dispositivo es un factor crucial para la aplicación de un selector a una estructura de CPA, las distribuciones de V _TH , V _Mantener , resistencia del estado de alta resistencia ( R _HRS ) y la resistencia del estado de baja resistencia ( R _LRS ) fueron investigados para 25 dispositivos aleatorios. La Figura 4a muestra que la distribución de la tensión umbral osciló entre 0,75 y 1,08 V, mientras que la distribución de la tensión de mantenimiento osciló entre 0,06 y 0,375 V. Además, la distribución de resistencia en el HRS osciló entre 10 ¹¹ a 10 ¹⁴ Ω, mientras que la resistencia en el LRS fue de aproximadamente 10 ⁶ Ω, como se muestra en la Fig. 4b. Debido a la formación del canal de conducción de metal, los dispositivos selectores que utilizan metales activos como Ag o Cu exhiben características de variación relativamente amplias [36, 37]. En consecuencia, se han informado estudios sobre la mejora de la fiabilidad de estas características mediante el dopaje o la inserción de la capa amortiguadora [37, 38].

un Variaciones de dispositivo a dispositivo de V _TH y V _Mantener para 25 dispositivos. b Variaciones de dispositivo a dispositivo de R _HRS y R _LRS para 25 dispositivos

Para investigar la respuesta transitoria del Ag-Ga ₂ Te ₃ selector, la corriente se midió utilizando una unidad de medición rápida del generador de forma de onda (WGFMU) durante un pulso de voltaje con una altura de 3 V, un tiempo de subida-bajada de 100 ns y una duración de 1,5 μs con una resistencia de carga externa de 1 MΩ, como se muestra en la Figura 5a. La corriente de conducción del Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector alcanzó su valor máximo después de 406 ns desde el punto en el que el voltaje alcanzó su máximo de 3 V. Además, el dispositivo se cambió al estado apagado dentro de 605 ns después de que se eliminó el voltaje aplicado. Por lo tanto, el tiempo de encendido y apagado del Ag-Ga ₂ Te ₃ selector se estimó en aproximadamente 400 ns y 600 ns, respectivamente. El lento cambio del Ag-Ga ₂ Te ₃ El selector se puede atribuir a la migración y reacciones redox de Ag para la formación del canal de conducción. Además, se investigó la influencia de la tensión aplicada y la temperatura de medición en el tiempo de conmutación con una tensión de entrada de 1,5 a 5 V y a una temperatura de medición de 298 a 375 K. El tiempo de conexión se redujo de 1 μs a 294 ns, mientras que el tiempo de desconexión se incrementó de 400 ns a 849 ns a medida que el voltaje del pulso se incrementó de 1,5 a 3,5 V, como se muestra en la Fig. 5b. La dependencia de la velocidad de conmutación del voltaje aplicado es comparable con los resultados previamente informados de la capa de Ag en HfO ₂ y TiO ₂ [39]. Además, la figura 5c muestra que los tiempos de encendido y apagado disminuyeron al aumentar la temperatura de medición. Según el gráfico de Arrhenius de velocidad de conmutación frente a la temperatura de medición que se muestra en la Fig. 5d, la dependencia exponencial de la velocidad de conmutación de la temperatura de medición se puede atribuir a procesos facilitados térmicamente, como la difusión de átomos de Ag en la matriz de la película de electrolito [40]. Las energías de activación para el encendido y apagado se estimaron en 0,50 eV y 0,40 eV, respectivamente, que son comparables con las presentadas en un informe anterior sobre un dispositivo basado en filamentos de Ag [41]. Se informó que los canales conductores de Ag se formaron bajo polarización eléctrica en HfO ₂ , SiO ₂ y TiO ₂ [15, 42, 43]. Sin embargo, en este estudio, se observó que Ag se distribuía uniformemente en el prístino Ga ₂ Te ₃ Película (s. Aunque el mecanismo de TS en Ga ₂ Te ₃ películas con distribución uniforme de Ag no se entiende claramente, Ag puede estar relacionado con la formación de canales conductores en Ga ₂ Te ₃ películas bajo polarización eléctrica. Por lo tanto, la dependencia de la velocidad de conmutación del voltaje de entrada y la temperatura de medición del Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector se puede atribuir a la formación de los canales conductores.

un AC I - V medición del Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo selector (condiciones de medición:tiempo de subida =100 ns, duración =1,5 μs, tiempo de bajada =100 ns y tensión de entrada =3 V). b Dependencia de la velocidad de conmutación de la tensión de pulso aplicada. c Dependencia de la velocidad de conmutación de la temperatura de medición. d Gráfico de Arrhenius de la velocidad de conmutación frente a la temperatura de medición

La característica de resistencia de CA se investigó bajo la misma condición de pulso de voltaje que la de la prueba de velocidad de conmutación. Los voltajes de lectura para HRS y LRS fueron 0,5 y 3 V, respectivamente. Las resistencias medidas del HRS y LRS se trazaron para 450 puntos por década, como se muestra en la Fig. 6. El Ag-Ga ₂ Te ₃ El dispositivo selector exhibió características de resistencia estables hasta 10 ⁹ ciclos manteniendo una selectividad de 10 ⁸ , demostrando así excelentes características de resistencia al cambio en comparación con las de otros selectores que utilizaron calcogenuro y metales activos [18, 25, 30].

Característica de resistencia de CA del Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo selector hasta 10 ⁹ ciclos (voltajes de lectura de 0,5 V y 3 V para R _HRS y R _LRS , respectivamente)