Memristor Multi-level Berdasarkan Film Tipis HfO2 Al-Doped
Abstrak
Memori non-volatile (NVM) akan memainkan peran yang sangat penting dalam teknologi digital generasi berikutnya, termasuk Internet of things. Memristor oksida logam, terutama berdasarkan HfO2 , telah disukai oleh banyak peneliti karena strukturnya yang sederhana, integrasi yang tinggi, kecepatan operasi yang cepat, konsumsi daya yang rendah, dan kompatibilitas yang tinggi dengan teknologi CMOS (silikon oksida logam komplementer) yang canggih. Dalam makalah ini, resistansi stabil 20 tingkat menyatakan HfO yang didoping Al2 -berbasis memristor disajikan. Daya tahan siklus, waktu retensi data, dan rasio ketahanannya lebih besar dari 10
3
,> 10
4
s, dan> 10, masing-masing.
Latar Belakang
Meskipun fenomena resistensi negatif pertama kali ditemukan oleh Hickmott dalam Al/Al2 O3 /Au struktur pada tahun 1962 [1], dan Chua mengusulkan konsep memristor pada tahun 1971 [2]. Tidak sampai Strukov dkk menyiapkan TiO2 berbasis memristor pada tahun 2008 [3] bahwa orang mulai memperhatikan studi tentang memristor. Saat ini, para peneliti telah menyiapkan memristor dengan lebih dari puluhan bahan resistif aktif, termasuk beberapa oksida kompleks [4, 5], oksida logam seperti ZnO [6], TiOx [7], TaOx [8], dan material dua dimensi [9, 10]. HfO2 telah digunakan sebagai dielektrik gerbang k tinggi dalam perangkat CMOS karena keandalannya yang tinggi, kecepatan operasi yang cepat, dan konsumsi daya yang rendah [11, 12]. Hal ini juga disukai oleh peneliti sebagai bahan memristif [13,14,15].
Memristor multi-level dapat digunakan secara luas sebagai penyimpanan data [16,17,18], perhitungan logis [19], perangkat sinaptik elektronik [20,21,22,23], dan sebagainya. Wang Y. [16] dan Gao B. et al. [24] menyiapkan memristor multi-level dengan doping HfO2 dengan Cu dan Gd, masing-masing, tetapi mereka hanya dapat membuat status penyimpanan 4 tingkat, yang sulit untuk memenuhi permintaan aplikasi. Oleh karena itu, studi tentang HfO2 memristor multi-level sangat penting.
Metode
Ti/Al:HfO2 Perangkat /Pt dibuat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Area sel aktif ditentukan oleh elektroda atas Ti (TE) berbentuk persegi. Lapisan perekat Ti 20 nm diendapkan dengan sputtering arus searah (DC) pada substrat silikon, kemudian film Pt 100 nm diendapkan sebagai elektroda bawah (BE). HfO yang didoping Al 20 nm2 lapisan fungsional diendapkan oleh reaktor deposisi lapisan atom (ALD) (R-150, Picosun, Espoo, Finlandia) pada 300 °C dengan MeCp2 HfMe(OMe) (dilambangkan sebagai HfD-04) sebagai prekursor Hf, dan H2 O sebagai sumber oksigen [25]. Prekursor dibawa oleh kemurnian tinggi N2 (> 99,999%) ke dalam ruang reaktor. Film yang didoping al diperoleh dengan mendepositkan satu siklus Al2 O3 pada setiap 8 siklus HfO2 dengan trimetiluminium (TMA) sebagai sumber Al dan H2 O sebagai sumber oksigen. Konsentrasi atom Al sebesar 6,2% dideteksi dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, Axis Ultra DLD, Kratos Analytical, Manchester, UK) pada sistem Theta 300 XPS dari Thermo Fisher. Sebuah film Ti 50-nm sebagai TE dan 100 nm Pt sebagai lapisan penutup diendapkan oleh sputtering DC. Perangkat diperoleh dengan membuat pola TE dengan litografi optik dan proses pengangkatan. Gambar 1b adalah mikrograf optik perangkat. Kami telah menyiapkan perangkat dengan area berbeda mulai dari 5 m × 5 m hingga 500 m × 500 m.
Struktur perangkat. a Model 3D dari memristor. b Mikroskop optik perangkat
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan XPS perangkat Al-doped dan non-doped. Dibandingkan dengan spektogram perangkat non-doping, perangkat Al-doping menunjukkan puncak 74,1 eV Al 2p yang berbeda pada Gambar. 2a, dan energi ikat Hf 4f memiliki peningkatan tertentu pada Gambar. 2b. Rasio Hf 4f5/2 ke Hf 4f7/2 juga meningkat untuk perangkat yang didoping. Hal ini konsisten dengan laporan lain [14, 26, 27]. Atom Al berikatan dengan struktur HfO2 membentuk Hf-Al-O, yang mengakibatkan ikatan Hf-O semakin lemah dan mudah putus.
XPS perangkat yang didoping Al dan yang tidak didoping. a Al 2p dan b Hf 4f dibandingkan
Untuk semua pengukuran listrik, Ti TE dibias sementara Pt BE di-ground. Penyapuan DC dilakukan dengan menggunakan penganalisis parameter B1500A (Santa Clara, CA, USA) dengan unit sumber/pengukuran, dan pengukuran listrik pulsa dengan generator bentuk gelombang/unit pengukuran cepat juga digunakan. Semua perangkat menunjukkan status resistansi tinggi (HRS) sebelum proses pembentukan listrik yang diperlukan. Gambar 3a menunjukkan karakteristik pembentukan perangkat 10 m × 10 m Al-doped dan non-doped. Kepatuhan saat ini selama pembentukan diperlukan untuk melindungi perangkat dari kerusakan. Resistansi awal dan tegangan pembentukan perangkat non-doping lebih besar. Osilasi di daerah tegangan rendah perangkat non-doping adalah karena arus lebih rendah dari batas pengukuran instrumen. Proses reset setelah langkah pembentukan dimotivasi dengan menerapkan tegangan negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, dan kemudian proses set pertama dimotivasi. Ketika amplitudo tegangan reset meningkat, arus kedua perangkat meningkat hingga maksimum lebih besar dari arus terbatas pembentukan dan kemudian menurun. Arus HRS dari kedua perangkat beberapa orde lebih besar dari keadaan awal pada tegangan yang sama. Ini menunjukkan bahwa masih ada filamen konduktif yang tidak dapat menyatu sepenuhnya setelah reset. Kurva set/reset I-V yang khas pada Gambar. 3b menunjukkan kedua tipologi dari kedua perangkat ini adalah mode operasi bipolar [28]. Rasio switching dan tegangan set/reset perangkat yang didoping Al lebih kecil daripada perangkat yang tidak didoping, tetapi proses transformasi status resistansinya lebih lembut, cocok sebagai perangkat penyimpanan multi-nilai.
Karakteristik I/V perangkat. a Proses pembentukan dan siklus pertama. b Proses set/reset biasa
Untuk memperjelas mekanisme switching perangkat, kurva I–V diplot ulang dalam skala logaritmik ganda pada Gambar. 4. Untuk kedua jenis perangkat, kurva resistansi rendah menunjukkan perilaku Ohmik linier, yang menunjukkan pembentukan filamen konduktor di HfO2 film selama pengaturan mereka [29, 30]. Namun, kurva resistansi tinggi sangat berbeda antara kedua jenis perangkat ini. Untuk perangkat yang didoping, terdiri dari tiga wilayah:wilayah Ohmik (I∝V), wilayah hukum Anak (I∝V
2
), dan wilayah kenaikan arus yang curam, yang sesuai dengan karakteristik khas IV dari arus terbatas muatan ruang yang dikendalikan perangkap (SCLC) [31, 32]. Kurva resistansi tinggi dari perangkat non-doping terdiri dari dua wilayah:konduksi Ohmik (I∝V) di wilayah tegangan rendah, dan fit linier dari lnI-V
1/2
di wilayah tegangan tinggi (inset Gambar. 4), mengkonfirmasikan mekanisme emisi Schottky [15, 33].
Penyesuaian kurva dari proses SET dalam koordinat logaritma ganda
Menurut fitur di atas, mekanisme mikroskopis dari memristor diringkas sebagai berikut. Untuk perangkat yang tidak didoping, saat tegangan positif yang diterapkan pada elektroda titanium meningkat, semakin banyak ion oksigen yang dihasilkan di HfO2 dan bergerak menuju elektroda titanium [34], menghasilkan titanium oksida [35]. Pada saat yang sama, kekosongan oksigen terakumulasi pada antarmuka antara elektroda platinum dan HfO2 , membentuk filamen konduktif secara bertahap [36]. Oleh karena itu, arus meningkat secara bertahap dengan tegangan. Perangkat berubah menjadi keadaan resistansi rendah (LRS) ketika kekosongan oksigen melakukan filamen menghubungkan TE dan BE. Sementara elektroda titanium diterapkan dengan tegangan negatif, ion oksigen bergabung dengan kekosongan oksigen pada HfO2 /Pt antarmuka [37], yang mengarah ke konsentrasi kekosongan oksigen yang lebih rendah dan penghalang Schottky yang lebih tinggi. Ketika tegangan reset tercapai, filamen konduktif rusak dan perangkat diubah menjadi HRS.
Untuk perangkat yang didoping Al, atom Al terikat pada struktur HfO2 untuk membentuk Hf-Al-O menghasilkan ikatan Hf-O yang lebih lemah dan lebih mudah putus. Energi pembentukan kekosongan oksigen berkurang. Oleh karena itu, perangkat doping memiliki resistansi yang lebih kecil dan tegangan transisi yang lebih rendah. Dalam film yang tidak didoping, kekosongan oksigen cenderung menumpuk di sepanjang batas butir [38, 39]. Akibatnya, filamen konduktif sedikit dan tebal. Resistansi perangkat sangat bervariasi dengan konduksi dan kerusakan filamen konduktif. Dalam film yang didoping, kekosongan oksigen mudah terbentuk di dekat atom pengotor [35, 40, 41]. Distribusi seragam dari sejumlah besar pengotor dalam film tipis membuat filamen konduktif yang dibentuk oleh kekosongan oksigen lebih dapat dikontrol. Oleh karena itu, lebih mudah untuk mencapai beberapa nilai resistansi.
Perangkat dapat diatur ke status resistensi stabil yang berbeda dengan mengubah kepatuhan saat ini dari proses yang ditetapkan. Dua puluh status resistansi stabil diperoleh dengan mengatur kepatuhan arus yang membentuk 0,5 mA hingga 10 mA dengan langkah 0,5 mA pada Gambar 5a. Karena status resistansi yang ditetapkan oleh sapuan DC, konsumsi energinya besar, dan operasinya rumit. Di sisi lain, nilai resistansi dengan mudah dikunci di LRS ketika kepatuhan arus yang besar digunakan. Metode ini juga tidak dapat menyesuaikan HRS. Status resistansi dua puluh tingkat dicapai dengan mengubah amplitudo tegangan dari set dan reset pulsa. Untuk menghindari kemungkinan kelebihan arus dan kegagalan set/reset, amplitudo tegangan dibatasi antara 1 V~1,9 V untuk SET dan 1 V~− 1,9 V untuk reset. Dapat dilihat dari diagram kotak (Gbr. 5b) bahwa rentang tegangan yang diizinkan dibagi menjadi 20 nilai dan hasil perangkat jauh melebihi level 3 (99,73%). Ini adalah persyaratan umum dalam produksi. Kekurangan dari metode ini adalah perangkat tidak dapat di set langsung dari satu HRS (LRS) ke HRS (LRS) lainnya, tetapi perlu direset (diset) ke LRS (HRS) terlebih dahulu, baru kemudian di set ke target HRS (LRS). . Hal ini meningkatkan kerumitan dan konsumsi daya operasi.
Penyimpanan multi-nilai perangkat. a Ubah status resistansi dengan mengatur arus kepatuhan. b 20 status resistansi stabil diperoleh dengan menyetel amplitudo tegangan pulsa Lebar dan interval pulsa keduanya 500 s
Pendekatan yang lebih baik ditunjukkan pada Gambar. 6. Konduktansi perangkat secara bertahap meningkat atau menurun dengan pulsa berurutan. Durasi dan interval pulsa keduanya 10 s. Konduktansi diukur dengan pulsa baca 0,1 V setelah setiap pulsa set/reset. Seperti terlihat pada Gambar 6, jumlah pulsa yang dibutuhkan untuk mengatur/mengatur ulang perangkat ke level yang berbeda tergantung pada tegangan yang diberikan. Patung tahan berbeda dengan 20 level diperoleh melalui set dan reset dengan memilih 0,5 V sebagai tegangan SET dan 0,7 V sebagai tegangan reset masing-masing (Gbr. 7). Perangkat direset ke HRS sebanyak 10 0.9V pulsa berturut-turut setiap kali sebelum menyetel ke status target atau disetel ke LRS sebanyak 10 pulsa berturut-turut 0.8-V sebelum penyesuaian. Mengingat status yang sama hadir pada proses set dan reset, ada 35 status berbeda yang diperoleh secara total. Penyimpangan jumlah pulsa yang diperlukan untuk dua keadaan resistansi yang berdekatan dari set (reset) melebihi level 3 . Kerugiannya adalah jika nilai resistansi perangkat berubah sangat, jumlah pulsa yang dibutuhkan akan besar dan kecepatan operasi akan lambat.
Resistansi disesuaikan dengan pulsa berurutan. a Setel proses dan b proses reset
Nomor pulsa diperlukan untuk menyetel (a ) atau setel ulang (b ) perangkat ke 20 level berbeda
Untuk menguji retensi data perangkat, 20 perangkat disetel/direset ke serangkaian nilai resistansi yang berbeda, dan menyimpannya di meja pemanas pada suhu 85 °C [42]. Nilai resistansi diukur dengan tegangan 0,1 V setiap 100 detik. Dapat dilihat dari Gambar 8a bahwa resistansi perangkat tetap stabil setelah 10
4
S. Untuk menguji keandalan siklus perangkat, kami mengulangi operasi set dan reset dengan pulsa set 1,8 V/500 s dan pulsa reset 1,8 V/500 s. Setelah 10
3
siklus, rasio switching perangkat masih lebih besar dari 10 pada Gambar. 8b.
Tes keandalan perangkat. a Karakteristik retensi data setelah operasi set/reset pulsa. b Kurva daya tahan siklus untuk operasi set/reset pulsa
Kesimpulan
HfO yang didoping-Al yang diusulkan2 memristor menunjukkan kinerja set/reset yang bertahap dan stabil. Dengan menyesuaikan kurva proses himpunan perangkat yang didoping Al dan tidak didoping, ditemukan bahwa, pada HRS, perangkat yang tidak didoping mengikuti mekanisme emisi Schottky, sedangkan perangkat yang didoping Al mengikuti mekanisme konduktif SCLC. Mekanisme fisik mikroskopis dari perubahan resistensi juga dibahas. Selain itu, penyimpanan multi-nilai perangkat dikonfirmasi dengan mengubah arus kepatuhan, menyesuaikan amplitudo tegangan pulsa set/reset dan menggunakan pulsa pendek berturut-turut. Terakhir, kami menguji keandalan perangkat untuk membuktikan bahwa perangkat tersebut memiliki retensi data lebih dari 10
4
s (85 °C) dan rasio peralihan lebih besar dari 10 setelah 10
3
siklus.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
