Pengaruh Pemanasan Joule Terhadap Karakteristik Sakelar Resistif Pada Sel AlOx yang Dibuat Oleh Formasi Oksidasi Termal
Abstrak
AlOx perangkat memori switching resistif berbasis dibuat oleh proses difusi oksidasi yang melibatkan penyimpanan film Al pada substrat ITO dan anil pada 400 °C dalam ruang hampa. Sebuah AlOx lapisan antarmuka dengan ketebalan ~ 20 nm dibentuk sebagai lapisan switching resistansi. Perilaku switching resistif (RS) bipolar dan unipolar diperoleh ketika arus kepatuhan terbatas (≥ 1 mA). Dalam perilaku RS unipolar, perangkat gagal melakukan siklus set/reset pada suhu rendah (40 K), yang menunjukkan bahwa pemanasan Joule sangat penting untuk perilaku RS unipolar. Dalam perilaku RS bipolar, reset mendadak berubah menjadi reset bertahap dengan penurunan suhu, yang menunjukkan bahwa pemanasan Joule mempengaruhi pecahnya filamen konduktif. Selain itu, mekanisme konduktif dalam keadaan resistansi tinggi dan resistansi rendah diungkapkan oleh ketergantungan suhu kurva IV. Untuk keadaan resistansi rendah, mekanisme konduksi disebabkan oleh mekanisme loncatan elektron, dengan energi aktivasi loncatan sebesar 9,93 meV. Untuk keadaan resistansi tinggi, mekanisme transpor didominasi oleh mekanisme konduksi ruang-charge-limited (SCLC).
Latar Belakang
Memori akses acak switching resistif (RRAM) telah menarik perhatian luas sebagai salah satu kandidat yang paling menjanjikan untuk memori non-volatil generasi berikutnya [1,2,3,4]. Dibandingkan dengan memori flash komersial tradisional dan memori non-volatil lainnya yang muncul, perangkat RRAM memiliki struktur sederhana (MIM), kecepatan tulis/hapus yang cepat, dan kinerja daya tahan dan retensi yang sangat baik [5,6,7,8]. Sebagai salah satu bahan pensaklaran resistif yang kompatibel dengan teknologi semikonduktor oksida logam komplementer konvensional, AlOx RRAM berbasis juga telah dipelajari secara ekstensif, memiliki potensi aplikasi yang lebih menarik karena kemampuan penyimpanan bertingkat dan perbaikan diri [9, 10]. Umumnya, dua jenis pensaklaran diamati pada perangkat oksida logam:(1) pensaklaran unipolar, yang tidak bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan dan (2) pensaklaran bipolar, yang bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan. Mekanisme switching bawaan mereka berbeda. Banyak faktor yang dapat mempengaruhi jenis switching resistif, seperti struktur perangkat, bahan elektroda dan arus pemrograman [11]. Koeksistensi switching unipolar dan bipolar telah dilaporkan dalam beberapa bahan oksida logam, seperti HfO2 , NiO dan ZnO [12,13,14,15,16]. Perilaku switching resistif bipolar (RS) terkait dengan pembentukan/pecahnya filamen konduktif yang terdiri dari kekosongan oksigen. Perilaku RS unipolar sering disebabkan oleh kerusakan termal filamen konduktif atau transisi struktur fasa. Perilaku RS bipolar biasanya diamati pada AlOx -RRAM berbasis. Koeksistensi perilaku unipolar dan bipolar di AlOx RRAM jarang dilaporkan, dan mekanisme peralihan fisik dalam perilaku RS unipolar masih belum diklarifikasi.
Dalam makalah ini, kami melaporkan koeksistensi perilaku RS unipolar dan bipolar di AlOx -RRAM berbasis. Dengan mempelajari karakteristik switching resistif dari switching unipolar dan bipolar untuk arus kepatuhan yang berbeda, pemanasan Joule digunakan untuk menjelaskan filamen konduktif yang pecah dalam proses reset perilaku RS unipolar. Ketika suhu lokal di dalam filamen konduktif mencapai suhu kritis, filamen konduktif rusak, dan perilaku RS unipolar terjadi. Selain itu, penggunaan pemanasan Joule untuk membantu memecahkan filamen konduktif dalam proses reset diusulkan untuk perilaku RS bipolar. Efek pemanasan Joule diverifikasi dengan baik dengan menempatkan perangkat pada suhu yang berbeda. Sementara itu, efek kinerja pada suhu yang berbeda untuk AlOx RRAM juga diselidiki. Stabilitas dan pengendalian perilaku RS sangat penting untuk menerapkan array RRAM di masa depan. Pemahaman yang lebih dalam tentang efek pemanasan Joule dalam proses switching resistif adalah penting dan perlu. Selain itu, kami menyelidiki mekanisme konduktif dengan ketergantungan suhu arus untuk status resistansi tinggi (HRS) dan status resistansi rendah (LRS).
Metode
Perangkat memori switching resistif berdasarkan AlOx dibuat dengan proses berikut. Diagram skema ditunjukkan pada Gambar. 1(a)–(d). Al dan Pt tergagap pada permukaan substrat kaca ITO secara berurutan dengan shadow mask untuk membentuk bintik-bintik melingkar dengan diameter 200 m. Lapisan Pt yang menutupi Al dapat digunakan untuk menghindari oksidasi permukaan Al selama proses annealing berikut. Perangkat dianil pada 400 °C selama 4 jam dalam ruang hampa. Sampel unnealed digunakan untuk referensi. Foto mikroskop elektron pemindaian penampang (SEM) mengungkapkan struktur perangkat. Struktur tiga lapis perangkat Pt/Al/ITO anil ditunjukkan pada sisipan Gambar 1(e). Lapisan atas adalah elektroda Pt (~ 66 nm). Lapisan tengah adalah lapisan Al anil (~ 256 nm). Lapisan bawah adalah elektroda ITO (~ 161 nm). Struktur mikro perangkat dianalisis dengan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM). Distribusi elemen diperoleh dengan menggunakan spektroskopi energi dispersif sinar-X (EDX) pada peralatan yang sama. Pengujian I-V dilakukan dengan menggunakan penganalisis parameter semikonduktor Agilent B1500A dalam mode sapuan dc pada suhu kamar. Ketergantungan suhu dari karakteristik IV terdeteksi dalam sistem Lake Shore CRX-4K di bawah vakum 5 × 10
−5
Tor.
Diagram skematis dari proses fabrikasi. (a ) ITO/substrat kaca. (b ) Pengendapan elektroda Al dengan cara sputtering. (c ) Pt menutupi elektroda Al. (d ) Pembentukan AlOx lapisan antarmuka dengan anil pada 400 °C dalam ruang hampa. (e ) Gambar SEM perangkat Pt/Al/ITO anil. Ketebalan Pt, Al dan ITO masing-masing sekitar 66 nm, 256 nm dan 161 nm
Hasil dan Diskusi
Untuk memeriksa perubahan struktur mikro setelah anil perangkat Pt/Al/ITO, HRTEM digunakan untuk memeriksa wilayah antara substrat kaca Al dan ITO. Gambar 2a dan b masing-masing menunjukkan sampel yang tidak dianil dan yang dianil. Dibandingkan dengan sampel yang tidak dianil, lapisan antarmuka yang jelas ditemukan dalam sampel yang dianil setelah 4 h. Ketebalan lapisan antarmuka adalah ~ 20 nm. Spektrum EDX digunakan untuk mengidentifikasi distribusi elemen antara Al dan ITO, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Difusi atom oksigen yang jelas terjadi pada antarmuka antarmuka Al / ITO selama proses anil. Elemen lain (In, Sn) tidak menunjukkan difusi yang signifikan dalam spektrum EDX. Dibandingkan dengan logam lain, Al memiliki energi bebas Gibbs standar yang lebih rendah (− 1582.9 KJ/mol) untuk membentuk oksida logam yang sesuai [17]. Kami menyimpulkan bahwa antarmuka AlOx lapisan yang terbentuk selama proses anil.
a Gambar HRTEM penampang dari Pt/Al/ITO yang tidak dianil. b Gambar HRTEM penampang dari sampel anil setelah 4 h. Lapisan antarmuka terbentuk. c Spektrum energi dispersif sinar-X (EDX) dari lima unsur (Al, O, In, Sn dan Si)
Gambar 3a menunjukkan karakteristik sampel tegangan arus (I-V) yang tidak dianil. Tidak ada perilaku switching resistif yang diamati, yang konsisten dengan hasil TEM yang tidak dianil. Tidak ada AlOx lapisan switching resistif terbentuk. Inset menunjukkan diagram skema dari pengukuran listrik. Selama pengukuran I-V, tegangan diterapkan ke elektroda atas (Pt), dan elektroda bawah (ITO) diarde. Perangkat anil juga diukur dalam kondisi yang sama. Perangkat anil menunjukkan koeksistensi perilaku RS unipolar dan bipolar. Kedua perilaku RS dapat diaktifkan secara independen. Gambar 3b menunjukkan kurva sapuan 50 siklus dari perilaku RS unipolar. Arus kepatuhan diatur ke 10 mA untuk menghindari kerusakan perangkat selama proses yang disetel. Panah menunjukkan arah penyapuan tegangan. Sapuan tegangan positif (0 V → 3,5 V) diterapkan ke elektroda Pt. Perangkat beralih dari status resistansi tinggi ke status resistansi rendah (proses pengaturan atau proses pemrograman). Setelah itu, sapuan tegangan lain (0 V → 1 V) menyebabkan pengurangan arus yang tiba-tiba dengan arus penyesuaian dihilangkan. Perangkat beralih ke HRS (proses reset atau proses penghapusan). Tidak diperlukan tegangan pembentukan yang lebih besar untuk mengaktifkan perangkat. Inset menampilkan karakteristik ketahanan 80 siklus, dan rasio Rpada /Rnonaktif kira-kira 10
3
menggunakan tegangan baca 0,1 V. Gambar 3c menunjukkan perilaku RS bipolar. Perilaku RS diamati dalam polaritas tegangan yang berlawanan. Set dan reset tegangan sapuan mengikuti urutan 0 V → +3.4 V → 0 V → 2.5 V → 0 V. Perangkat beralih dari HRS ke LRS ketika tegangan bias positif diterapkan ke elektroda atas Pt. Kemudian, dialihkan kembali ke HRS di bawah tegangan bias negatif. Mirip dengan kasus unipolar, tidak ada proses elektroforming yang terlihat. Inset menunjukkan karakteristik daya tahan untuk 150 siklus. Rasio Rpada /Rnonaktif kira-kira 10
3
menggunakan tegangan baca 0,1 V.
a Kurva IV untuk perangkat Pt/Al/ITO yang tidak dianil. Inset menunjukkan diagram skema pengukuran listrik. Elektroda atas Pt adalah tegangan bias yang diterapkan, dan ITO diarde. b Kurva I-V 50-siklus untuk switching unipolar (anil selama 4 h). Garis putus-putus menunjukkan arus kepatuhan Icc =10 mA. Garis merah menunjukkan proses set pertama dan proses reset. Panah menunjukkan arah penyapuan tegangan. Tegangan baca diatur ke 0.1 V. Inset menunjukkan karakteristik daya tahan. c Kurva I-V 50 siklus untuk peralihan bipolar (anil selama 4 h). Inset menunjukkan karakteristik daya tahan. Tegangan baca diatur ke 0,1 V
Umumnya, perilaku RS bipolar sering diamati pada AlOx - perangkat RRAM berbasis. Mekanisme switching bipolar disebabkan oleh pembentukan / pemecahan filamen konduktif yang terdiri dari kekosongan oksigen [11, 16]. Ketika tegangan positif diterapkan ke elektroda atas, ion oksigen (O
2−
) bermigrasi ke elektroda atas, meninggalkan kekosongan oksigen. Kekosongan oksigen terakumulasi untuk membentuk filamen konduktif. Perangkat beralih ke LRS. Ketika tegangan negatif diterapkan ke elektroda atas, ion oksigen diekstraksi kembali ke AlOx dan filamen konduktif pecah. Mekanisme switching bipolar terkait dengan mekanisme elektrokimia. Namun, proses set dan proses reset terjadi dengan polaritas tegangan yang sama untuk perilaku switching unipolar. Peralihan resistif unipolar dipicu oleh kerusakan termal filamen konduktif. Mekanisme switching dijelaskan oleh mekanisme berbasis termal di perangkat RRAM lainnya [16]. Untuk memverifikasi bahwa pemanasan Joule menyumbang perilaku switching unipolar di AlOx RRAM, arus kepatuhan yang berbeda digunakan untuk mengontrol aliran arus melalui perangkat.
Gambar 4a menunjukkan karakteristik IV dari perilaku switching bipolar untuk arus kepatuhan yang berbeda. Resistansi filamen konduktif dapat dikontrol dengan pengaturan arus kepatuhan. Resistansi LRS yang lebih rendah (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ) dapat diperoleh dengan meningkatkan arus kepatuhan. Resistensi di LRS (RLRS ) bervariasi dari puluhan ohm hingga ribuan ohm di bawah arus kepatuhan yang berbeda. R . yang berbeda LRS nilai terkait dengan pembentukan ukuran filamen konduktif yang berbeda di bawah arus kepatuhan yang berbeda. Pemanasan joule menurun dengan menurunnya ukuran filamen [18]. Khususnya, ketika arus kepatuhan Icc =100 uA dan Icc =1 mA, proses reset bertahap diamati selama proses reset dalam perilaku RS bipolar, yang berbeda dari reset mendadak pada Icc =10 mA. Reset bertahap dijelaskan oleh pecahnya progresif filamen konduktif [19]. Reset tiba-tiba terkait dengan pecahnya bantuan pemanasan Joule [20]. Pengaruh pemanasan Joule pada perilaku RS bipolar tercermin dalam proses reset mendadak. Perilaku RS bipolar dapat dianggap sebagai kombinasi dari mekanisme elektrokimia dan pemanasan Joule pada arus pemrograman tinggi [13, 21].
a Kurva IV dari bipolar pada arus kepatuhan yang berbeda:Icc =10 mA (garis putus-putus), Icc =1 mA (garis biru) dan Icc =100 uA (garis hijau). Resistansi LRS pada arus kepatuhan yang berbeda pada pembacaan 0,1 V (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b Kurva IV dari perilaku unipolar pada arus kepatuhan yang berbeda:Icc =10 mA (garis putus-putus), Icc =1 mA (garis biru) dan Icc =100 uA (garis hitam)
Gambar 4b menunjukkan karakteristik unipolar di bawah arus kepatuhan yang berbeda (Icc =10 mA, Icc =1 mA dan Icc =100 uA). Peralihan unipolar diamati hanya pada arus kepatuhan Icc =10 mA dan 1 mA. Dibandingkan dengan tegangan reset dari arus kepatuhan Icc =10 mA dalam 1 V, tegangan reset (Icc =1 mA) jelas meningkat lebih dari 1,5 V dan arus reset berkurang sekitar dua kali lipat (~ 724 uA) setelah operasi ulang. Nilai saat ini setelah proses reset mendekati arus kepatuhan. Perangkat tidak dapat mengatur ulang ke keadaan awal (~ 100 KΩ). Russo dkk. mengusulkan suhu kritis (Tkritik ) untuk proses reset unipolar dalam model disolusi termal yang dipercepat sendiri [22]. Ketika suhu di dalam filamen konduktif mencapai nilai kritis di bawah tegangan reset yang diterapkan antara dua elektroda, filamen konduktif larut dan rusak dalam keadaan reset. Hubungan fungsi antara temperatur kritis, tegangan, arus dan resistansi dapat digambarkan sebagai berikut:
T0 adalah suhu kamar, Rth adalah resistansi termal efektif dari filamen konduktif, yang memiliki ketergantungan ukuran yang lebih lemah, dan daya listrik dapat ditulis sebagaiPsetel ulang = Vsetel ulang · Akusetel ulang . Untuk arus kepatuhan yang lebih rendah Icc =1 mA, diperlukan tegangan reset yang lebih besar. Ketika titik terpanas filamen konduktif mencapai suhu kritis, stabilitas termal filamen konduktif memburuk. Filamen konduktif kemudian pecah. Perilaku RS unipolar kemudian terjadi. Namun, arus LRS lebih kecil untuk arus kepatuhan Icc =100 uA. Bahkan jika tegangan reset meningkat, nilai arus menghadapi kesulitan dalam mencapai level arus pada arus kepatuhan yang lebih besar (Icc =1 mA dan Icc =10 mA). Pemanasan Joule yang dihasilkan tidak cukup untuk mencapai temperatur kritis. Dengan demikian, tidak ada perilaku RS unipolar yang diamati. Jika tegangan reset dinaikkan lebih lanjut, perangkat dapat rusak. Oleh karena itu, perilaku RS unipolar didorong oleh pemanasan Joule di AlOx RRAM.
Untuk penelitian lebih lanjut tentang pengaruh pemanasan Joule pada perilaku RS, perangkat ditempatkan pada suhu yang berbeda. Selama proses yang ditetapkan, arus kepatuhan Icc =10 mA digunakan. Kurva IV dari perilaku bipolar ditunjukkan pada Gambar. 5a. Perlu dicatat bahwa proses reset mendadak berubah menjadi proses reset bertahap dengan penurunan suhu hingga 40 K. Dibandingkan dengan 300 K dan 340 K, pemanasan Joule dapat terdispersi dengan baik pada 40 K. Efek pemanasan Joule dapat dikurangi seminimal mungkin. Dengan demikian, mekanisme elektrokimia memainkan peran utama selama proses reset dalam perilaku switching bipolar. Proses reset bertahap dijelaskan oleh sebagian filamen konduktif pecah. Perangkat tidak dapat direset ke keadaan awal pada tegangan reset yang sama. Fenomena ini juga diamati pada bahan oksida logam lainnya [23]. Gambar 5b dan c menunjukkan distribusi statistik dari arus operasi (HRS, LRS) dan tegangan (SET, RESET) dalam penyakelaran bipolar pada temperatur yang berbeda. Jelas, arus HRS menurun dengan meningkatnya suhu. Selain itu, tegangan SET meningkat dengan meningkatnya suhu. Pengamatan ini menunjukkan bahwa pemanasan Joule mempengaruhi kerusakan filamen konduktif. Ketika suhu dinaikkan, lebih sedikit filamen konduktif yang tersisa di AlOx lapisan switching resistif selama proses reset. Lebih banyak status resistansi tinggi isolasi diperoleh. Tegangan SET jelas meningkat. Arus LRS sedikit meningkat dengan meningkatnya suhu, yang sesuai dengan karakteristik transportasi semikonduktor. Gambar 5d menunjukkan karakteristik IV dari perilaku unipolar pada suhu yang berbeda. Dibandingkan dengan 300 K dan 340 K, perangkat tidak dapat diatur ulang ke keadaan awal pada 40 K, yang disebabkan oleh disipasi termal. Suhu di dalam filamen konduktif tidak mencapai suhu kritis. Filamen konduktif tidak dapat sepenuhnya pecah. Perangkat tidak dapat beralih ke LRS lagi pada arus kepatuhan Icc =10 mA (garis putus-putus biru). Gambar 5e dan f menunjukkan distribusi statistik dari arus operasi (HRS, LRS) dan tegangan (SET, RESET) di bawah pensaklaran unipolar pada suhu yang berbeda. Demikian pula, arus HRS yang lebih tinggi dan tegangan SET yang lebih besar dengan peningkatan suhu diamati. Dengan demikian, pemanasan Joule dianggap penting untuk perilaku RS unipolar.
a Kurva IV dari perilaku bipolar pada suhu yang berbeda (40 K (garis biru), 300 K (garis putus-putus merah) dan 340 K (garis hijau)) dengan arus kepatuhan Icc =10 mA. b Hasil statistik arus HRS dan LRS untuk 20 siklus switching bipolar pada suhu yang berbeda (40 K, 300 K dan 340 K). c Hasil statistik dari tegangan SET dan RESET untuk 20 siklus switching bipolar pada temperatur yang berbeda (40 K, 300 K dan 340 K). d Kurva IV dari perilaku unipolar pada suhu yang berbeda (40 K (garis biru), 300 K (garis putus-putus merah) dan 340 K (garis hijau)) dengan arus kepatuhan Icc =10 mA. Garis putus-putus biru menunjukkan proses set berikutnya setelah operasi reset. e Hasil statistik arus HRS dan LRS untuk 20 siklus switching unipolar pada suhu yang berbeda (300 K dan 340 K). f Hasil statistik dari tegangan SET dan RESET untuk 20 siklus switching unipolar pada suhu yang berbeda (300 K dan 340 K)
Untuk studi yang lebih baik tentang mekanisme konduksi, kami memperkirakan sebelumnya mekanisme switching dengan memasang kurva IV. Kurva IV diplot ulang dalam plot logaritma ganda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. LRS menunjukkan perilaku penghantaran Ohmik dengan kemiringan mendekati 1, yang kemungkinan disebabkan oleh pembentukan filamen konduktif [24]. HRS dapat dibagi menjadi dua wilayah:di area tegangan rendah (< 0.4 V, wilayah 1), perilaku konduksi Ohmik diamati, sedangkan di area tegangan tinggi (> 0.4 V, wilayah 2), kemiringannya dekat dengan 2. Perilaku transportasi konsisten dengan konduksi ruang-charge-limited (SCLC) [25]. Dalam model SCLC, rapat arus J untuk emisi SCLC yang dikendalikan perangkap dapat digambarkan sebagai
a Pemasangan linier untuk kurva IV menggunakan skala log-log dalam bias positif. b Ketergantungan suhu arus untuk HRS dari 250 K hingga 340 K. c Energi aktivasi Eα pada tegangan yang berbeda diringkas. Inset menunjukkan plot Arrhenius dari data suhu saat ini pada tegangan yang berbeda di HRS. d Ketergantungan suhu arus untuk LRS dari 250 K hingga 340 K. e Hubungan konduktivitas ln I versus suhu T
−1/4
. Tegangan baca adalah 0,1 V. f Energi aktivasi Eα =9.93 meV dihitung
dimana q adalah muatan dasar, n0 adalah pembawa bebas yang dihasilkan secara termal, μ adalah mobilitas elektron, εr adalah konstanta dielektrik statis, ε0 adalah permitivitas ruang, θ adalah rasio kepadatan pembawa bebas dengan kepadatan pembawa total, V adalah tegangan yang diterapkan dan d adalah ketebalan film. Di wilayah 1 (tegangan yang diterapkan rendah), sesuai dengan hukum Ohm (IV
1
), sejumlah kecil pembawa dapat dihasilkan karena eksitasi termal dan tereksitasi ke pita konduksi dari pita valensi atau tingkat pengotor di wilayah ini. Ketika tegangan yang diberikan meningkat, pembawa yang disuntikkan menjadi terperangkap. Konduksi menjadi terbatas-ruang-muatan. Arus HRS mengikuti hukum kuadrat (IV
2
) di wilayah 2. Gambar 6b menunjukkan ketergantungan suhu arus HRS. Arus meningkat dengan meningkatnya suhu, yang menunjukkan perilaku seperti semikonduktor [26, 27]. Dari kemiringan plot tipe Arrhenius data (inset dari Gambar 6c), energi aktivasi (Eα ) dari 0,01 V ke 2 V seperti dirangkum dalam Gambar 6c. Hasilnya menunjukkan bahwa Eα relatif tinggi (~ 0,15 eV) di wilayah tegangan rendah dan menunjukkan perilaku konduksi Ohmik. Saat tegangan meningkat, Eα menurun, yang merupakan ciri khas SCLC [28]. Analisis IV yang bergantung pada suhu jelas mendukung mekanisme konduksi SCLC di HRS.
Gambar 6d menunjukkan bahwa arus LRS sedikit meningkat dengan meningkatnya suhu, menunjukkan perilaku konduktor seperti semikonduktor. Filamen konduktif logam tidak termasuk. Gambar 6e menunjukkan hubungan linier antara ln (I) dan T
−1/4
, yang menunjukkan bahwa mekanisme LRS mematuhi model lompat rentang variabel Mott [29, 30]. Jika tingkat energi dari dua keadaan terlokalisasi cukup dekat dan fungsi gelombang tumpang tindih, elektron dapat melompat di antara dua lokasi, dibantu oleh energi panas. Nilai energi aktivasi Eα adalah 9,93 meV untuk LRS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6f, yang lebih kecil dari 26 meV (energi aktivasi pada suhu kamar). Nilai ini memastikan lompatan rentang variabel elektron pada suhu kamar. Dalam semikonduktor oksida logam lainnya, mekanisme hopping juga diamati di LRS, dan pemasangan kurva IV menunjukkan perilaku konduktif Ohmik pada suhu kamar [31]. Dengan demikian, mekanisme switching resistif di LRS terkait dengan kekosongan oksigen dalam filamen konduktif.
Gambar 7 mengilustrasikan model switching resistif unipolar dan bipolar. Untuk perilaku RS unipolar dan bipolar dalam proses yang ditetapkan, ion oksigen bermigrasi menuju elektroda atas di bawah medan listrik. Akhirnya, ion oksigen berkurang, meninggalkan kekosongan oksigen di AlOx lapisan switching resistif. Akumulasi besar kekosongan oksigen membentuk filamen konduktif oksigen antara ITO dan lapisan Al yang tidak teroksidasi. Perangkat diatur ke LRS. Elektron melompat melalui filamen konduktif terdiri dari kekosongan oksigen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7 (a) dan (c). Untuk perilaku RS unipolar dalam proses reset, arus kepatuhan dihilangkan. Bias positif diterapkan lagi, dan arus meningkat dengan meningkatnya tegangan. Ketika titik suhu tertinggi di dalam filamen konduktif mencapai suhu kritis, stabilitas filamen konduktif menjadi lebih buruk dan mudah putus. Perangkat beralih ke HRS setelah filamen konduktif dihancurkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7(b). Dalam perilaku RS bipolar, bias negatif diterapkan ke elektroda atas. Ion oksigen diekstraksi kembali ke AlOx lapisan antarmuka. Filamen konduktif pecah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7 (d). Perangkat diatur ulang ke HRS. Ketika arus reset relatif lebih besar, pemanasan Joule meningkatkan proses pecahnya filamen konduktif. Transisi tiba-tiba dalam proses reset muncul. Mekanisme transpor elektron di HRS didominasi oleh mekanisme SCLC di kedua perilaku RS.
Skema mekanisme switching AlOx -perangkat RRAM berbasis. (a ) Atur proses untuk switching unipolar di bawah tegangan positif. Filamen konduktif terdiri dari kekosongan oksigen. Panah hitam menunjukkan arah migrasi elektron. (b ) Proses reset untuk switching unipolar di bawah tegangan positif. Filamen konduktif pecah oleh pemanasan Joule. Elektron terperangkap oleh cacat. Mekanisme konduktif di HRS didominasi oleh SCLC. (c ) Atur proses untuk switching bipolar di bawah tegangan positif. (d ) Proses reset untuk switching bipolar di bawah tegangan negatif. Filamen konduktif pecah
Kesimpulan
Dalam makalah ini, koeksistensi perilaku switching resistif unipolar dan bipolar diamati pada AlOx -RRAM berbasis. Dengan meneliti karakteristik tegangan arus dari switching unipolar dan bipolar pada arus kepatuhan yang berbeda dan suhu kerja yang bervariasi, kami mengusulkan bahwa pemanasan Joule sangat penting untuk perilaku switching resistif unipolar di AlOx -RRAM berbasis. Ketika arus pemrograman tinggi mengalir melalui filamen konduktif dalam proses reset, suhu lokal di filamen konduktif mencapai suhu kritis, dan filamen konduktif pecah. Perilaku RS unipolar terjadi. Dalam perilaku switching resistif bipolar, proses reset dikaitkan tidak hanya dengan mekanisme elektrokimia tetapi juga dengan pemanasan Joule. Termal menyebabkan pecahnya filamen konduktif saat perangkat memiliki arus hapus yang tinggi, yang menghasilkan resistansi HRS yang lebih tinggi dan tegangan operasi SET yang lebih besar di AlOx -RRAM berbasis. Jadi, pemanasan Joule merupakan faktor kinerja RS yang tidak dapat diabaikan. Hasil ini akan membantu kita memahami secara mendalam pengaruh pemanasan Joule pada perilaku switching resistif di AlOx -RRAM berbasis. Selanjutnya, mekanisme konduktif dipelajari. Mekanisme konduktif untuk LRS adalah karena elektron melompat melalui jalur konduktif. Untuk HRS, mekanisme konduktif didominasi oleh mekanisme SCLC.
