Pengaruh Konsentrasi Ag yang Didispersikan dalam Film Tipis HfOx pada Pengalihan Ambang

Hasil dan Diskusi

Kami secara bersamaan membuat empat HfO yang didoping Ag_x perangkat untuk penyeleksi difusi selama satu proses. Selama proses pengendapan, substrat tidak diputar untuk mengkonfirmasi pengaruh konsentrasi doping terhadap sifat listrik. Tabel 1 menunjukkan ketebalan, rasio kation Ag:Hf, dan kekasaran akar rata-rata kuadrat (RMS) masing-masing D1, D2, D3, dan D4. Komposisi Ag pada lapisan pensaklaran dinyatakan sebagai rasio kation menggunakan sejumlah Ag dan Hf yang diperoleh dari analisis XRF. Seperti yang ditunjukkan, setiap perangkat memiliki ketebalan dan konsentrasi Ag yang berbeda. Dengan peningkatan jarak dari HfO₂ target, ketebalan lapisan switching menurun sementara komposisi Ag di lapisan oksida meningkat. Dengan meningkatnya konsentrasi Ag, nilai kekasaran RMS sedikit meningkat (gambar AFM ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S1).

Arus searah (DC)–tegangan (I -V ) karakteristik yang diukur dari semua perangkat ditunjukkan pada Gambar. 2a–d. D1 (35,3 nm, 7% Ag) awalnya dalam keadaan sangat terisolasi, dan tidak ada peralihan ambang yang diamati selama pengukuran DC (Gbr. 1a) karena konsentrasi Ag yang tidak mencukupi untuk menghasilkan filamen konduktif meskipun lapisan sakelarnya tebal. Sebaliknya, D2 (27,3 nm, 16% Ag) menunjukkan peralihan ambang dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS) mengikuti proses electroforming (EF) dalam status murni untuk menghasilkan perangkat yang dapat dioperasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Selama proses EF, arus meningkat dari level rendah untuk mencapai arus kepatuhan (I _cc ) pada tegangan 4.3 V. Setelah itu, D2 terus menerus menunjukkan perilaku TS pada tegangan operasi yang lebih rendah daripada tegangan pembentukan di kedua polaritas bias. Demikian pula, D3 (24 nm, 39% Ag) menunjukkan perilaku TS dua arah yang khas; namun, proses EF tidak diperlukan dalam keadaan murni D3. Dengan kata lain, D3 menyajikan perilaku TS bebas EF. Sebaliknya, D4 (18,8 nm, 58 Ag%) awalnya dalam keadaan konduktor tinggi, mungkin karena perkolasi Ag dalam HfO_x tipis. lapisan dengan konsentrasi Ag yang tinggi.

Sifat listrik dari perangkat yang dibuat. a I-V kurva D1 (keadaan sangat terisolasi). b I-V kurva D2, menunjukkan proses EF dan perilaku TS berikutnya. c I-V kurva D3, menunjukkan perilaku TS tanpa proses EF. d I-V kurva D4 (melakukan keadaan)

Morfologi permukaan dan ukuran butir berubah dengan meningkatnya konsentrasi Ag. Seperti disebutkan sebelumnya, dengan meningkatnya konsentrasi Ag, nilai kekasaran RMS meningkat seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Ukuran butir juga dinilai menggunakan SEM (File tambahan 1:Gambar S2). Peningkatan ukuran butir diamati sebagai konsentrasi Ag meningkat. Namun, pada kasus D2 dan D3 yang menunjukkan karakteristik TS yang berbeda, perbedaan kekasaran permukaan dan ukuran butir cukup kecil. Namun demikian, ada perbedaan yang cukup besar dalam sifat listriknya dalam hal proses EF dan mengikuti karakteristik TS. Dengan demikian, kami selanjutnya membandingkan karakteristik TS dari D2 dan D3 sebagai berikut.

Gambar 3 a dan b menunjukkan perilaku TS berulang yang diamati di D2 dan D3 melalui pengukuran DC. Sebagai perbandingan, hanya karakteristik TS pada bias negatif yang ditunjukkan pada gambar. Kedua perangkat awalnya menunjukkan beberapa level arus pA pada -0,1 V di bawah batas deteksi. Perilaku TS di D2 terbukti setelah proses EF pada tegangan pembentukan ~ − 3,5 V, sedangkan arus kepatuhan (I _cc ) dari 5 μA ditetapkan untuk perangkat untuk mencegah kerusakan yang parah. Setelah proses EF, perangkat menunjukkan perilaku TS yang khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Ketika tegangan yang diberikan melebihi tegangan ambang (V _th ) dari ~ − 1.1 V, arus tiba-tiba mencapai I _cc dari 5 μA; perangkat beralih ke status ON dari status OFF. Namun, status perangkat ON pulih ke status OFF karena tegangan yang diberikan turun menjadi kurang dari tegangan tahan (V _tahan ). Meskipun perangkat kembali ke status OFF, arus OFF yang lebih tinggi diamati daripada perangkat sebelum EF.

Perbandingan karakteristik TS di D2 dan D3. a Perilaku TS dengan arus OFF yang meningkat mengikuti proses EF. Gambar inset menunjukkan proses EF dalam perangkat yang disimpan. b Perilaku TS tanpa proses EF mempertahankan arus OFF rendah dan NL high tinggi

D3 juga menunjukkan karakteristik TS yang khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Namun, proses EF tidak diperlukan untuk menginduksi perilaku TS di perangkat dalam keadaan murni. Arus mencapai I _cc dari 5 μA pada V _th dari ~ − 0.8 V, yang merupakan status ON, dan kemudian secara spontan kembali ke status OFF awal pada V _th kurang dari ~ − 0.2 V. D3 berikutnya I -V loop mirip dengan yang pertama I -V loop. Selain itu, perangkat secara konsisten menunjukkan arus OFF yang rendah pada tegangan operasi yang rendah dibandingkan dengan D2. Selain itu, kerapatan arus status OFF di D3 masih tetap kurang dari D2; perbedaannya kira-kira 10 ⁵ A/cm ² . Akibatnya, dikonfirmasi bahwa perbedaan konsentrasi Ag dalam HfO_x lapisan menentukan perlunya proses EF, dan pada gilirannya, karakteristik TS berubah secara dramatis.

Untuk mewujudkan satu selektor-satu memori resistif (1S1R), selektor memerlukan arus OFF rendah untuk menekan kebocoran arus dan arus ON tinggi sesuai dengan arus reset memori resistif [21, 22]. Untuk memenuhi Aku -V karakteristik nonlinier, kami mengkonfirmasi nonlinier (NL ) dan selektivitas (S ) perangkat kami dan penyeleksi TS yang sebelumnya dilaporkan untuk mengevaluasi kinerjanya sebagai penyeleksi [14, 18, 21,22,23]. Di sini, kami mendefinisikan NL dan S menggunakan Persamaan. (1) dan (2) masing-masing sebagai berikut:

NL didefinisikan sebagai rasio arus pada V _th dan setengah dari V _th . Dalam skema setengah bias dalam larik mistar gawang, V _th diterapkan ke sel penargetan sementara setengah dari V _th diterapkan ke sel tetangga yang setengah dipilih. Oleh karena itu, NL sangat penting untuk mencegah malfungsi larik palang selama operasi program/baca. Sebaliknya, S adalah rasio arus dalam keadaan ON dan keadaan OFF pada V _th , mewakili kinerja pemilih berbasis TS. Kedua definisi tersebut banyak digunakan untuk perbandingan kinerja perangkat pemilih. Jadi, besar NL dan S nilai diperlukan untuk operasi 1S1R untuk menekan arus jalur menyelinap secara efektif.

Berbagai parameter peralihan termasuk NL dan S di perangkat kami dan selektor TS dalam literatur ditunjukkan pada Tabel 2. Dalam kasus D2, peningkatan arus OFF menyebabkan penurunan yang signifikan dalam NL dan S . Sebaliknya, arus D3 OFF cukup rendah sehingga lebih besar dari 10 ⁶ NL dan S diakuisisi. Namun, D2 dan D3 hanya dapat menunjukkan karakteristik TS pada I low yang rendah _cc (< 10 μA) karena TS beralih ke peralihan memori pada I . yang lebih tinggi _cc . Telah diketahui dengan baik bahwa sebagian besar perangkat pemilih TS yang menggunakan filamen Ag tunduk pada transisi peralihan memori nonvolatil pada I _cc lebih besar dari 10–100 μA [23,24,25,26]. Ketika Saya _cc lebih tinggi dari 10–100 μA, filamen logam yang kuat dan stabil terbentuk yang sulit untuk pecah secara spontan dibandingkan dengan filamen tipis dan tidak stabil yang terbentuk pada I yang lebih rendah _cc [26, 27]. Oleh karena itu, berbagai metode, seperti struktur multilayer (Ag/TaO_x /TaO_y /TaO_x /Ag) dan Ag nanodots ditemplat dalam dielektrik, telah disarankan untuk mendapatkan karakteristik TS yang andal pada I yang lebih tinggi _cc [21, 22].

Untuk mengamati ukuran dan distribusi atom Ag dalam HfO_x lapisan, analisis elemen HR-TEM dan EDS dilakukan pada D2 dan D3. Gambar 4 a dan b (c dan d) menunjukkan gambar HR-TEM penampang D2 (D3). Menurut gambar HR-TEM, kemungkinan ukuran atom Ag tersebar merata ke dalam HfO_x matriks. Tidak ada partikel Ag yang dapat dibedakan atau kluster Ag berukuran beberapa nanometer yang diamati di kedua perangkat. Selain itu, HfO_x fase amorf dikonfirmasi melalui gambar transformasi Fourier cepat (FFT) seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4 b dan d. Namun, sinyal Ag di profil garis menunjukkan keberadaan Ag di HfO_x lapisan. Jadi, disimpulkan bahwa Ag dalam HfO_x akan didistribusikan dalam skala atom. Daerah switching termasuk nanofilamen Ag harus diselidiki; namun, karakteristik TS tidak stabil sehingga pengamatan TEM in situ harus dicoba di masa mendatang.

Analisis mikrostruktur dan komposisi. a Gambar penampang TEM D2. b Gambar TEM yang diperbesar dari D2. Inset adalah gambar FFT yang sesuai. c Gambar penampang TEM D3. d Gambar TEM yang diperbesar dari D3. Inset adalah gambar FFT yang sesuai. Profil garis elemen EDS dari e D2 dan f D3

Kami mengusulkan mekanisme berikut untuk perilaku TS di perangkat kami seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 a dan b. HfO yang didoping Ag sebagai_x lapisan switching memiliki atom Ag yang terdistribusi secara merata di HfO_x . Namun, diperkirakan ada jarak yang relatif jauh antara atom Ag karena konsentrasi Ag yang rendah di D2. Gambar 5a menunjukkan proses EF dari D2 sebagai fabrikasi. Ketika medan listrik diterapkan ke perangkat dalam keadaan murni, atom Ag di HfO_x dapat dioksidasi menjadi Ag ⁺ ion dan mereka bermigrasi sepanjang arah medan. Ag teroksidasi ⁺ ion direduksi menjadi atom Ag lagi di elektroda Pt lainnya, di mana filamen penghantar Ag dapat terus tumbuh. Setelah filamen terhubung antara dua elektroda, perangkat dialihkan ke keadaan ON dari keadaan OFF. Selama proses EF di D2, gugus Ag yang lebih besar dapat terbentuk karena medan listrik yang tinggi. Ditemukan bahwa medan listrik yang besar tersebut cukup untuk membentuk nanopartikel Ag dengan diameter beberapa nanometer dari pengamatan TEM in situ dalam literatur [14, 15]. Setelah medan listrik yang diterapkan dihilangkan, Ag dalam skala atom berdifusi ke dalam HfO_x matriks, menunjukkan bahwa perangkat dikembalikan ke keadaan OFF. Namun, kluster Ag yang lebih besar, yang tidak dapat cukup berdifusi keluar, tetap berada di jalur konduktif. Dengan demikian, kluster Ag sisa ini menyebabkan arus OFF yang lebih besar dalam keadaan OFF berikutnya. Sebaliknya, dalam kasus D3 yang dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, filamen Ag terbentuk tanpa pembentukan gugus Ag karena D3 dioperasikan di bawah medan listrik rendah, yang berarti bahwa perangkat dapat mempertahankan arus OFF yang rendah. Demikian juga, ketika medan listrik yang diterapkan dihilangkan, perangkat dikembalikan ke keadaan OFF karena pecahnya filamen Ag secara spontan yang dapat dijelaskan oleh efek Thomson-Gibbs meminimalkan energi antarmuka antara filamen dan matriks [15, 18 , 28]. Akibatnya, karakteristik TS dua arah dapat dicapai melalui dinamika difusi atom/ion Ag yang berulang.

Mekanisme TS yang disarankan dalam perangkat HfOx yang didoping Ag. Pembentukan/pecahnya filamen Ag pertama untuk perilaku TS di a Dibutuhkan EF (D2) dan b Perangkat bebas EF (D3)

Untuk menjelaskan perbedaan selama proses EF, kami mengusulkan Persamaan berikut. (3) dan (4):

dimana D adalah difusivitas, D ₀ adalah faktor pra-eksponensial, E _bln adalah penghalang migrasi pada bias nol, k adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu absolut lokal. Untuk membentuk filamen Ag dalam HfO_x lapisan, ion Ag harus mengatasi penghalang migrasi untuk bergerak menuju elektroda bias negatif. Ketika bias eksternal diterapkan, medan listrik dapat menurunkan penghalang migrasi, E _m , menyebabkan migrasi ion sepanjang arah medan sebagai berikut:

dengan muatan elektron e , tegangan bias V _bias , HfO_x ketebalan lapisan Z _kotak , dan jarak lompatan Ag di z arah ∆z . Memang, ion Ag dapat melompat ke segala arah di bawah bias nol. Namun, kami mempertimbangkan untuk melompat di sepanjang z arah dalam proses EF karena perangkat dapat diubah ke keadaan ON di bawah medan listrik tinggi di mana ion Ag dominan melompat sepanjang arah medan listrik. Untuk memperkirakan E _m , kami menghitung jarak lompatan Ag (∆z ) sebagai 0,67 nm di D2 dan 0,45 nm di D3 dari hasil eksperimen konsentrasi Ag dan ketebalan film kami. Penghalang migrasi pada bias nol, E _bln = 3.02 eV, digunakan dari literatur [29]. Pada formasi pertama filamen Ag, medan listrik ~ 1.6 MV/cm dibutuhkan di D2 dan ini menurunkan penghalang migrasi sebesar 0.11 eV. Sebaliknya, medan listrik ~ 0,4 MV/cm diperlukan untuk peralihan pertama di D3 dan itu menurunkan penghalang migrasi sebesar 0,04 eV. Dengan demikian, difusi Ag cukup untuk membentuk filamen Ag di D3 meskipun pengurangan penghalang lebih rendah karena jarak lompat yang pendek dan konsentrasi Ag yang tinggi dibandingkan dengan D2. Namun, karena jarak lompatan yang relatif panjang di D2, pengurangan penghalang yang lebih besar diperlukan untuk difusi yang cukup untuk membentuk filamen Ag. Setelah filamen terbentuk, filamen itu harus pecah secara spontan dengan menghentikan tegangan; namun, filamen Ag tidak dapat sepenuhnya berdifusi ke distribusi awalnya, dan dengan demikian jarak lompatan ∆z menurun dari D2 as-fabrikasi. Oleh karena itu, hasil ini menyebabkan berkurangnya medan listrik (~ 0,4 MV/cm) pada peralihan ambang berikutnya. Perlu dicatat bahwa ketebalan film sangat mempengaruhi I -V karakteristik perangkat. Oleh karena itu, kami mengkonfirmasi proses EF di perangkat dengan ketebalan yang sama tetapi memiliki konsentrasi Ag yang berbeda. Demikian juga, perangkat menunjukkan transisi dari karakteristik yang dibutuhkan EF ke bebas EF seiring dengan peningkatan konsentrasi Ag. Oleh karena itu, ditunjukkan bahwa konsentrasi Ag pada dasarnya mempengaruhi proses EF dengan mengendalikan medan listrik internal yang efektif. Yaitu, memodulasi konsentrasi Ag dan dengan demikian jarak lompatan di HfO_x lapisan diperlukan untuk karakteristik TS bebas EF dengan NL larger yang lebih besar dan S nilai.