Dampak Pemanasan Joule pada Pergantian Resistensi pada Sel Memori AlOx yang Dióksidasi Termal
Abstrak
Perangkat memori pergantian resistensi berbasis AlOx diproduksi dengan proses oksidasi difusi yang melibatkan penyetoran film Al pada substrat ITO dan pemanasan pada 400 °C dalam vakum. Lapisan antarmuka AlOx dengan tebal sekitar 20 nm terbentuk sebagai lapisan pergantian resistensi. Perilaku pergantian resistensi (RS) bipolar dan unipolar diperoleh ketika arus kompatibilitas dibatasi (≥ 1 mA). Dalam perilaku RS unipolar, perangkat gagal melakukan siklus set/reset pada suhu rendah (40 K), yang menunjukkan bahwa pemanasan Joule esensial untuk perilaku RS unipolar. Dalam perilaku RS bipolar, reset tiba-tiba berubah menjadi reset bertahap dengan penurunan suhu, yang menunjukkan bahwa pemanasan Joule mempengaruhi patahnya filamen konduktif. Selain itu, mekanisme konduksi dalam keadaan resistensi tinggi dan keadaan resistensi rendah diungkapkan oleh ketergantungan suhu dari kurva I-V. Untuk keadaan resistensi rendah, mekanisme konduksi adalah karena mekanisme loncat elektron, dengan energi aktivasi loncat 9,93 meV. Untuk keadaan resistensi tinggi, mekanisme transport didominasi oleh mekanisme konduksi muatan ruang (SCLC).
Latar Belakang
Memori acak pergantian resistensi (RRAM) telah menarik perhatian luas sebagai salah satu kandidat paling menjanjikan untuk memori non-volatil generasi berikutnya [1,2,3,4]. Dibandingkan dengan memori flash tradisional yang komersial dan memori non-volatil lainnya yang sedang berkembang, perangkat RRAM memiliki struktur sederhana (MIM), kecepatan tulis/hapus yang cepat, dan performa tahan tahan serta retensi yang luar biasa [5,6,7,8]. Sebagai salah satu materi pergantian resistensi yang kompatibel dengan teknologi komplementer metal-oksida semikonduktor konvensional, RRAM berbasis AlOx juga telah dipelajari secara luas, dengan potensi aplikasi yang lebih menarik karena kemampuan penyimpanan multilevel dan perbaikan diri [9, 10]. Secara umum, dua jenis pergantian diamati dalam perangkat logam-oksida: (1) pergantian unipolar, yang tidak bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan dan (2) pergantian bipolar, yang bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan. Mekanisme pergantian inherent mereka berbeda. Banyak faktor dapat mempengaruhi jenis pergantian resistensi, seperti struktur perangkat, bahan elektroda, dan arus pemrograman [11]. Keberadaan pergantian unipolar dan bipolar telah dilaporkan dalam beberapa materi logam-oksida, seperti HfO2, NiO, dan ZnO [12,13,14,15,16]. Perilaku pergantian resistensi (RS) bipolar terkait dengan pembentukan/patahnya filamen konduktif yang terdiri dari vakansi oksigen. Perilaku RS unipolar sering disebabkan oleh kerusakan termal filamen konduktif atau transisi struktur fase. Perilaku RS bipolar biasanya diamati dalam RRAM berbasis AlOx. Keberadaan perilaku unipolar dan bipolar dalam RRAM AlOx jarang dilaporkan, dan mekanisme pergantian fisik dalam perilaku RS unipolar masih belum dijelaskan.
Dalam makalah ini, kami melaporkan keberadaan perilaku RS unipolar dan bipolar dalam RRAM berbasis AlOx. Dengan mempelajari karakteristik pergantian resistensi dari pergantian unipolar dan bipolar untuk berbagai arus kompatibilitas, pemanasan Joule digunakan untuk menjelaskan patah filamen konduktif dalam proses reset dari perilaku RS unipolar. Ketika suhu lokal di dalam filamen konduktif mencapai suhu kritis, filamen konduktif terpecah, dan perilaku RS unipolar terjadi. Selain itu, penggunaan pemanasan Joule untuk membantu merobek filamen konduktif dalam proses reset diusulkan untuk perilaku RS bipolar. Efek pemanasan Joule terverifikasi dengan baik dengan menempatkan perangkat pada suhu yang berbeda. Sementara itu, efek performa pada suhu yang berbeda untuk RRAM AlOx juga diselidiki. Stabilitas dan kontrolabilitas perilaku RS esensial untuk menerapkan array RRAM di masa depan. Pemahaman yang lebih dalam tentang efek pemanasan Joule dalam proses pergantian resistensi adalah penting dan diperlukan. Selain itu, kami menyelidiki mekanisme konduksi dengan ketergantungan suhu dari arus untuk keadaan resistensi tinggi (HRS) dan keadaan resistensi rendah (LRS).
Metode
Perangkat memori pergantian resistensi berbasis AlOx diproduksi dengan proses berikut. Diagram skematik ditunjukkan dalam Gambar 1(a)–(d). Al dan Pt disetorkan secara berurutan pada permukaan substrat kaca ITO dengan masker bayangan untuk membentuk titik bundar dengan diameter 200 μm. Lapisan Pt yang melapisi Al dapat digunakan untuk menghindari oksidasi permukaan Al selama proses pemanasan berikutnya. Perangkat dipanaskan pada 400 °C selama 4 jam dalam vakum. Sampel tidak dipanaskan digunakan sebagai referensi. Foto SEM penampang melintang mengungkapkan struktur perangkat. Struktur tiga lapis dari perangkat Pt/Al/ITO yang dipanaskan ditunjukkan dalam inset Gambar 1(e). Lapisan atas adalah elektroda Pt (~ 66 nm). Lapisan tengah adalah lapisan Al yang dipanaskan (~ 256 nm). Lapisan bawah adalah elektroda ITO (~ 161 nm). Mikrostruktur perangkat dianalisis oleh mikroskopi elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM). Distribusi elemen diperoleh dengan menggunakan spektroskopi X-ray energi dispersif (EDX) pada alat yang sama. Uji I-V dilakukan menggunakan analyzer parameter semikonduktor Agilent B1500A dalam mode dc sweep pada suhu ruangan. Ketergantungan suhu dari karakteristik I-V terdeteksi dalam sistem Lake Shore CRX-4K di bawah vakum 5 × 10−5 Torr.
Diagram skematik proses pembuatan. (a) Substrat kaca ITO. (b) Penyetoran elektroda Al dengan sputtering. (c) Pt melapisi elektroda Al. (d Pembentukan lapisan antarmuka AlOx dengan pemanasan pada 400 °C dalam vakum. (e) Gambar SEM perangkat Pt/Al/ITO yang dipanaskan. Tebal Pt, Al, dan ITO masing-masing sekitar 66 nm, 256 nm, dan 161 nm
Hasil dan Pembahasan
Untuk memeriksa perubahan mikrostruktur setelah pemanasan perangkat Pt/Al/ITO, HRTEM digunakan untuk memeriksa wilayah antara Al dan substrat kaca ITO. Gambar 2a dan b menunjukkan sampel tidak dipanaskan dan dipanaskan, masing-masing. Dibandingkan dengan sampel tidak dipanaskan, lapisan antarmuka yang jelas ditemukan dalam sampel yang dipanaskan setelah 4 jam. Tebal lapisan antarmuka sekitar 20 nm. Spektra EDX digunakan untuk mengidentifikasi distribusi elemen antara Al dan ITO, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2c. Difusi oksigen yang jelas terjadi pada antarmuka Al/ITO selama proses pemanasan. Elemen lain (In, Sn) tidak menunjukkan difusi yang signifikan dalam spektra EDX. Dibandingkan 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 lapisan antarmuka AlOx terbentuk selama proses pemanasan.
a Gambar HRTEM penampang melintang Pt/Al/ITO tidak dipanaskan. b Gambar HRTEM penampang melintang sampel yang dipanaskan setelah 4 jam. Lapisan antarmuka terbentuk. c Spektra energi dispersif X-ray (EDX) dari lima elemen (Al, O, In, Sn, dan Si)
Gambar 3a menunjukkan karakteristik arus-tegangan (I-V) sampel tidak dipanaskan. Tidak ada perilaku pergantian resistensi yang diamati, yang konsisten dengan hasil TEM tidak dipanaskan. Tidak ada lapisan pergantian resistensi AlOx yang terbentuk. Inset menunjukkan diagram skematik pengukuran listrik. Selama pengukuran I-V, tegangan diterapkan pada elektroda atas (Pt), dan elektroda bawah (ITO) di-grounding. Perangkat yang dipanaskan juga diukur dalam kondisi yang sama. Perangkat yang dipanaskan menunjukkan keberadaan perilaku RS unipolar dan bipolar. Dua perilaku RS dapat diaktifkan secara independen. Gambar 3b menunjukkan kurva sweep 50-siklus dari perilaku RS unipolar. Arus kompatibilitas diatur menjadi 10 mA untuk menghindari breakdown keras perangkat selama proses set. Panah menunjukkan arah sweep tegangan. Sweep tegangan positif (0 V → 3,5 V) diterapkan pada elektroda Pt. Perangkat beralih dari keadaan resistensi tinggi ke keadaan resistensi rendah (proses set atau proses pemrograman). Setelah itu, sweep tegangan lain (0 V → 1 V) menyebabkan penurunan arus yang tiba-tiba dengan arus kompatibilitas dihapus. Perangkat beralih ke HRS (proses reset atau proses penghapusan). Tidak ada tegangan forming yang jelas yang diperlukan untuk mengaktifkan perangkat. Inset menampilkan karakteristik tahan tahan 80-siklus, dan rasio Ron/Roff sekitar 103 menggunakan tegangan baca 0,1 V. Gambar 3c menunjukkan perilaku RS bipolar. Perilaku RS diamati pada polaritas tegangan yang berlawanan. Sweep tegangan set dan reset mengikuti urutan 0 V → +3,4 V → 0 V → −2,5 V → 0 V. Perangkat beralih dari HRS ke LRS saat tegangan bias positif diterapkan pada elektroda Pt atas. Kemudian, beralih kembali ke HRS di bawah tegangan bias negatif. Serupa dengan kasus unipolar, tidak ada proses forming elektro yang jelas yang diamati. Inset menunjukkan karakteristik tahan tahan untuk 150 siklus. Rasio Ron/Roff sekitar 103 menggunakan tegangan baca 0,1 V.
a Kurva I-V untuk perangkat Pt/Al/ITO tidak dipanaskan. Inset menunjukkan diagram skematik pengukuran listrik. Elektroda Pt atas adalah tegangan bias yang diterapkan, dan ITO di-grounding. b Kurva I-V 50-siklus untuk pergantian unipolar (dipanaskan selama 4 jam). Garis putus-putus menunjukkan arus kompatibilitas Icc = 10 mA. Garis merah menunjukkan proses set dan reset pertama. Panah menunjukkan arah sweep tegangan. Tegangan baca diatur ke 0,1 V. Inset menunjukkan karakteristik tahan tahan. c Kurva I-V 50-siklus untuk pergantian bipolar (dipanaskan selama 4 jam). Inset menunjukkan karakteristik tahan tahan. Tegangan baca diatur ke 0,1 V
Secara umum, perilaku RS bipolar sering diamati dalam perangkat RRAM berbasis AlOx. Mekanisme pergantian bipolar disebabkan oleh pembentukan/pebocoran filamen konduktif yang terdiri dari vakansi oksigen [11, 16]. Saat tegangan positif diterapkan pada elektroda atas, ion oksigen (O2−) bermigrasi ke elektroda atas, meninggalkan vakansi oksigen. Vakansi oksigen terakumulasi untuk membentuk filamen konduktif. Perangkat beralih ke LRS. Saat tegangan negatif diterapkan pada elektroda atas, ion oksigen diekstraksi kembali ke AlOx dan filamen konduktif terpecah. Mekanisme pergantian bipolar terkait dengan mekanisme elektrokimia. Namun, proses set dan reset terjadi dengan polaritas tegangan yang sama untuk perilaku pergantian unipolar. Pergantian resistensi unipolar dipicu oleh kerusakan termal filamen konduktif. Mekanisme perpindahan dijelaskan oleh mekanisme berbasis suhu dalam perangkat RRAM lainnya [16]. Untuk memverifikasi bahwa pemanasan Joule merupakan penyebab perilaku pergantian unipolar dalam RRAM AlOx, arus kompatibilitas yang berbeda digunakan untuk mengontrol aliran arus melalui perangkat.
Gambar 4a menunjukkan karakteristik I-V dari perilaku pergantian bipolar untuk berbagai arus kompatibilitas. Resistensi filamen konduktif dapat dikontrol dengan pengaturan arus kompatibilitas. Resistensi 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 kompatibilitas. Resistensi dalam LRS (RLRS) bervariasi dari puluhan ohm hingga ribuan ohm di bawah berbagai arus kompatibilitas. Nilai RLRS yang berbeda terkait dengan pembentukan ukuran filamen konduktif yang berbeda di bawah berbagai arus kompatibilitas. Pemanasan Joule menurun seiring menurunnya ukuran filamen [18]. Terlihat, saat arus kompatibilitas Icc = 100 uA dan Icc = 1 mA, proses reset bertahap diamati selama proses reset dalam perilaku RS bipolar, yang berbeda dari reset tiba-tiba pada Icc = 10 mA. Reset bertahap dijelaskan oleh patah bertahap filamen konduktif [19]. Reset tiba-tiba terkait dengan patah filamen konduktif yang dibantu pemanasan Joule [20]. Pengaruh pemanasan Joule pada perilaku RS bipolar terpantau dalam proses reset tiba-tiba. Perilaku RS bipolar dapat dianggap sebagai kombinasi dari mekanisme elektrokimia dan pemanasan Joule pada arus pemrograman tinggi [13, 21].
a Kurva I-V dari bipolar pada berbagai arus kompatibilitas: Icc = 10 mA (garis titik), Icc = 1 mA (garis biru) dan Icc = 100 uA (garis hijau). Resistensi LRS pada berbagai arus kompatibilitas pada baca 0,1 V (Icc = 10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b Kurva I-V dari perilaku unipolar pada berbagai arus kompatibilitas: Icc = 10 mA (garis titik), Icc = 1 mA (garis biru) dan Icc = 100 uA (garis hitam)
Gambar 4b menunjukkan karakteristik unipolar di bawah berbagai arus kompatibilitas (Icc = 10 mA, Icc = 1 mA dan Icc = 100 uA). Pergantian unipolar diamati hanya pada arus kompatibilitas Icc = 10 mA dan 1 mA. Dibandingkan dengan tegangan reset dari arus kompatibilitas Icc = 10 mA dalam 1 V, tegangan reset (Icc = 1 mA) jelas meningkat di atas 1,5 V dan arus reset menurun sekitar dua orde magnitud (~724 uA) setelah operasi reset. Nilai arus setelah proses reset mendekati arus kompatibilitas. Perangkat tidak dapat reset ke kondisi awal (~100 KΩ). Russo et al. mengusulkan suhu kritis (Tcrit) untuk proses reset unipolar dalam model pelarutan termal yang dipercepat diri [22]. Saat suhu di dalam filamen konduktif mencapai nilai kritis di bawah tegangan reset yang diterapkan antara dua elektroda, filamen konduktif dilarutkan dan terpecah dalam keadaan reset. Hubungan fungsi antara suhu kritis, tegangan, arus, dan resistensi dapat dijelaskan sebagai berikut:
T0 adalah suhu ruangan, Rth adalah resistensi termal efektif dari filamen konduktif, yang memiliki ketergantungan ukuran yang lebih lemah, dan daya listrik dapat ditulis sebagaiPreset = Vreset · Ireset. Untuk arus kompatibilitas lebih rendah Icc = 1 mA, diperlukan tegangan reset yang lebih besar. Saat titik terpanas dari filamen konduktif mencapai suhu kritis, stabilitas termal filamen konduktif memburuk. Filamen konduktif kemudian terpecah. Perilaku RS unipolar kemudian terjadi. Namun, arus LRS lebih kecil untuk arus kompatibilitas Icc = 100 uA. Bahkan jika tegangan reset meningkat, nilai arus mengalami kesulitan untuk mencapai tingkat arus pada arus kompatibilitas yang lebih besar (Icc = 1 mA dan Icc = 10 mA). Pemanasan Joule yang dihasilkan tidak cukup untuk mencapai suhu kritis. Oleh karena itu, tidak ada perilaku RS unipolar yang diamati. Jika tegangan reset ditingkatkan lebih lanjut, perangkat mungkin rusak. Oleh karena itu, perilaku RS unipolar didorong oleh pemanasan Joule dalam RRAM AlOx.
Untuk penelitian lebih lanjut tentang pengaruh pemanasan Joule pada perilaku RS, perangkat ditempatkan pada suhu yang berbeda. Selama proses set, arus kompatibilitas Icc = 10 mA digunakan. Kurva I-V dari perilaku bipolar ditunjukkan dalam Gambar 5a. Perlu diperhatikan bahwa proses reset tiba-tiba berubah menjadi proses reset bertahap dengan penurunan suhu hingga 40 K. Dibandingkan dengan 300 K dan 340 K, pemanasan Joule dapat terdisipasi dengan baik pada 40 K. Efek pemanasan Joule dapat dikurangi hingga minimum. Jadi, mekanisme elektrokimia memainkan peran utama selama proses reset dalam perilaku pergantian bipolar. Proses reset bertahap dijelaskan oleh filamen konduktif yang terpecah sebagian. Perangkat tidak dapat di-reset ke kondisi awal pada tegangan reset yang sama. Fenomena ini juga diamati dalam materi logam-oksida lainnya [23]. Gambar 5b dan c menunjukkan distribusi statistik arus operasi (HRS, LRS) dan tegangan (SET, RESET) dalam pergantian bipolar pada suhu yang berbeda. Jelas, arus HRS menurun seiring meningkatnya suhu. Selain itu, tegangan SET meningkat seiring meningkatnya suhu. Observasi ini menunjukkan bahwa pemanasan Joule mempengaruhi patahnya filamen konduktif. Saat suhu ditingkatkan, lebih sedikit filamen konduktif yang tersisa dalam lapisan pergantian resistensi AlOx selama proses reset. Lebih banyak keadaan resistensi tinggi yang isolasi diperoleh. Tegangan SET jelas meningkat. Arus LRS sedikit meningkat seiring meningkatnya suhu, yang sesuai dengan karakteristik transport semikonduktor. Gambar 5d menunjukkan karakteristik I-V dari perilaku unipolar pada suhu yang berbeda. Dibandingkan dengan 300 K dan 340 K, perangkat tidak dapat reset ke kondisi awal pada 40 K, yang disebabkan oleh penyaluran termal. Suhu di dalam filamen konduktif tidak mencapai suhu kritis. Filamen konduktif tidak dapat terpecah sepenuhnya. Perangkat tidak dapat beralih ke LRS lagi pada arus kompatibilitas Icc = 10 mA (garis biru titik). Gambar 5e dan f menunjukkan distribusi statistik arus operasi (HRS, LRS) dan tegangan (SET, RESET) di bawah pergantian unipolar pada suhu yang berbeda. Serupa, arus HRS yang lebih tinggi dan tegangan SET yang lebih besar dengan peningkatan suhu teramati. Jadi, pemanasan Joule dianggap esensial untuk perilaku RS unipolar.
a Kurva I-V dari perilaku bipolar pada suhu yang berbeda (40 K (garis biru), 300 K (garis merah titik) dan 340 K (garis hijau)) dengan arus kompatibilitas Icc = 10 mA. b Hasil statistik arus HRS dan LRS untuk 20 siklus pergantian bipolar pada suhu yang berbeda (40 K, 300 K dan 340 K). c Hasil statistik tegangan SET dan RESET untuk 20 siklus pergantian bipolar pada suhu yang berbeda (40 K, 300 K dan 340 K). d Kurva I-V dari perilaku unipolar pada suhu yang berbeda (40 K (garis biru), 300 K (garis merah titik) dan 340 K (garis hijau)) dengan arus kompatibilitas Icc = 10 mA. Garis biru titik menunjukkan proses set berikutnya setelah operasi reset. e Hasil statistik arus HRS dan LRS untuk 20 siklus pergantian unipolar pada suhu yang berbeda (300 K dan 340 K). f Hasil statistik tegangan SET dan RESET untuk 20 siklus pergantian unipolar pada suhu yang berbeda (300 K dan 340 K)
Untuk studi yang lebih baik tentang mekanisme konduksi, kami memperkirakan mekanisme pergantian dengan memasang kurva I-V. Kurva I-V dire-plot dalam plot log-log, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a. LRS menunjukkan perilaku konduksi Ohmik dengan kemiringan mendekati 1, yang mungkin disebabkan oleh pembentukan filamen konduktif [24]. HRS dapat dibagi menjadi dua wilayah: pada wilayah tegangan rendah (< 0,4 V, wilayah 1), perilaku konduksi Ohmik diamati, sedangkan pada wilayah tegangan tinggi (> 0,4 V, wilayah 2), kemiringan mendekati 2. Perilaku transport konsisten dengan konduksi muatan ruang (SCLC) [25]. Dalam model SCLC, kepadatan arus J untuk emisi SCLC yang dikontrol jebakan dapat dijelaskan sebagai
a Pemasangan linier untuk kurva I-V menggunakan skala log-log pada bias positif. b Ketergantungan suhu dari arus untuk HRS dari 250 K hingga 340 K. c Energi aktivasi Eα pada berbagai tegangan diringkas. Inset menunjukkan plot Arrhenius dari data suhu arus pada berbagai tegangan dalam HRS. d Ketergantungan suhu dari 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
di mana q adalah muatan dasar, n0 adalah pembebas bebas yang dihasilkan termal, μ adalah mobilitas elektron, εr adalah konstanta dielektrik statis, ε0 adalah permitivitas ruang, θ adalah rasio kepadatan pembebas bebas terhadap total kepadatan pembebas, V adalah tegangan yang diterapkan dan d adalah tebal film. Dalam wilayah 1 (tegangan yang diterapkan rendah), sesuai dengan hukum Ohm (I ∝ V1), sejumlah kecil pembebas mungkin dihasilkan karena eksitasi termal dan diangsir ke daur konduksi dari daur valensi atau tingkat kotoran di wilayah ini. Saat tegangan diterapkan meningkat, pembebas yang diuntir tertangkap. Konduksi menjadi terbatas muatan ruang. Arus HRS mengikuti hukum kuadrat (I ∝ V2) dalam wilayah 2. Gambar 6b menunjukkan ketergantungan suhu dari arus HRS. Arus meningkat seiring meningkatnya suhu, yang menunjukkan perilaku konduksi seperti semikonduktor [26, 27]. Dari kemiringan plot tipe Arrhenius dari data (inset Gambar 6c), energi aktivasi (Eα) dari 0,01 V hingga 2 V diringkas dalam Gambar 6c. Hasil menunjukkan bahwa Eα relatif tinggi (~ 0,15 eV) dalam wilayah tegangan rendah dan menunjukkan perilaku konduksi Ohmik. Saat tegangan meningkat, Eα menurun, yang merupakan ciri khas SCLC [28]. Analisis I-V yang bergantung pada suhu secara jelas mendukung mekanisme konduksi SCLC dalam HRS.
Gambar 6d menunjukkan bahwa arus LRS sedikit meningkat seiring meningkatnya suhu, menunjukkan perilaku konduksi seperti semikonduktor. Filamen konduktif logam dikecualikan. Gambar 6e menunjukkan hubungan linier antara ln (I) dan T−1/4, yang menunjukkan bahwa mekanisme LSR mematuhi model hopping rentang variabel Mott [29, 30]. Jika tingkat energi dari dua keadaan terlokalisasi cukup dekat dan fungsi gelombang tumpang tindih, elektron dapat loncat di antara dua situs, didukung oleh energi termal. Nilai energi aktivasi Eα adalah 9,93 meV untuk LRS, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6f, yang lebih kecil dari 26 meV (energi aktivasi pada suhu ruangan). Nilai ini memastikan hopping rentang variabel elektron pada suhu ruangan. Dalam semikonduktor logam-oksida lainnya, mekanisme hopping juga diamati dalam LRS, dan pemasangan kurva I-V menunjukkan perilaku konduksi Ohmik pada suhu ruangan [31]. Jadi, mekanisme pergantian resistensi dalam LRS terkait dengan vakansi oksigen dalam filamen konduktif.
Gambar 7 mengilustrasikan model pergantian resistensi unipolar dan bipolar. Untuk perilaku RS unipolar dan bipolar dalam proses set, ion oksigen bermigrasi ke elektroda atas di bawah medan listrik. Akhirnya, ion oksigen direduksi, meninggalkan vakansi oksigen dalam lapisan pergantian resistensi AlOx. Akumulasi besar vakansi oksigen membentuk filamen konduktif oksigen antara lapisan ITO dan Al yang tidak teroksidasi. Perangkat di-set ke LRS. Elektron loncat melalui filamen konduktif yang terdiri dari vakansi oksigen, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7(a) dan (c). Untuk perilaku RS unipolar dalam proses reset, arus kompatibilitas dihapus. Tegangan positif diterapkan lagi, dan arus meningkat seiring meningkatnya tegangan. Saat titik suhu tertinggi di dalam filamen konduktif mencapai suhu kritis, stabilitas filamen konduktif menjadi buruk dan mudah terpecah. Perangkat beralih ke HRS setelah filamen konduktif dihancurkan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7(b). Dalam perilaku RS bipolar, tegangan negatif diterapkan pada elektroda atas. Ion oksigen diekstraksi kembali ke lapisan antarmuka AlOx. Filamen konduktif terpecah, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7(d). Perangkat di-reset ke HRS. Saat arus reset relatif lebih besar, pemanasan Joule meningkatkan proses patah filamen konduktif. Transisi tiba-tiba dalam proses reset muncul. Mekanisme transport elektron dalam HRS didominasi oleh mekanisme SCLC dalam kedua perilaku RS.
Skema mekanisme pergantian perangkat RRAM berbasis AlOx. (a) Proses set untuk pergantian unipolar di bawah tegangan positif. Filamen konduktif terdiri dari vakansi oksigen. Panah hitam menunjukkan arah migrasi elektron. (b) Proses reset untuk pergantian unipolar di bawah tegangan positif. Filamen konduktif terpecah oleh pemanasan Joule. Elektron tertangkap oleh cakera. Mekanisme konduksi dalam HRS didominasi oleh SCLC. (c) Proses set untuk pergantian bipolar di bawah tegangan positif. (d) Proses reset untuk pergantian bipolar di bawah tegangan negatif. Filamen konduktif terpecah
Kesimpulan
Dalam makalah ini, keberadaan perilaku pergantian resistensi unipolar dan bipolar diamati dalam RRAM berbasis AlOx. Dengan meneliti karakteristik arus-tegangan dari pergantian unipolar dan bipolar pada berbagai arus kompatibilitas dan suhu kerja yang bervariasi, kami mengusulkan bahwa pemanasan Joule esensial untuk perilaku pergantian resistensi unipolar dalam RRAM berbasis AlOx. Saat arus pemrograman tinggi mengalir melalui filamen konduktif dalam proses reset, suhu lokal di dalam filamen konduktif mencapai suhu kritis, dan filamen konduktif terpecah. Perilaku RS unipolar terjadi. Dalam perilaku pergantian resistensi bipolar, proses reset dikaitkan tidak hanya dengan mekanisme elektrokimia tetapi juga dengan pemanasan Joule. Penyaluran termal memicu patah filamen konduktif saat perangkat memiliki arus hapus yang tinggi, yang mengakibatkan resistensi HRS yang lebih tinggi dan tegangan operasi SET yang lebih besar dalam RRAM berbasis AlOx. Jadi, pemanasan Joule adalah faktor yang tidak dapat diabaikan dari performa RS. Hasil ini akan membantu kita memahami secara dalam pengaruh pemanasan Joule pada perilaku pergantian resistensi dalam RRAM berbasis AlOx. Selanjutnya, mekanisme konduksi diselidiki. Mekanisme konduksi untuk LRS adalah karena elektron yang melintasi jalur konduktif. Untuk HRS, mekanisme konduksi didominasi oleh mekanisme SCLC.
