Threshold Switching Selektor Ag-Ga2Te3 dengan Daya Tahan Tinggi untuk Aplikasi ke Array Lintas Titik
Abstrak
Peralihan ambang batas dalam chalcogenides telah menarik banyak perhatian karena aplikasi potensialnya pada struktur susunan titik silang berdensitas tinggi dan tiga dimensi yang dapat ditumpuk. Namun, terlepas dari karakteristik switching ambang batas yang sangat baik, karakteristik selektivitas dan daya tahan dari selektor tersebut harus ditingkatkan untuk aplikasi praktis. Dalam penelitian ini, pengaruh Ag terhadap perilaku switching threshold dari sebuah Ga2 Te3 selektor diselidiki dalam hal selektivitas dan daya tahan. Ag-Ga2 Te3 selektor menunjukkan selektivitas tinggi 10
8
dengan arus off-state rendah < 100 fA, kemiringan turn-on yang curam sebesar 0,19 mV/des, dan daya tahan tinggi 10
9
siklus. Respon transien diverifikasi bergantung pada tegangan input pulsa dan suhu pengukuran. Mempertimbangkan karakteristik switching ambang batas yang sangat baik, Ag-Ga2 Te3 pemilih adalah kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi dalam struktur larik titik silang.
Pengantar
Memori akses acak resistif telah diselidiki sebagai kandidat yang menjanjikan untuk memori nonvolatile generasi berikutnya, karena operasinya yang sederhana, konsumsi daya yang rendah, potensi stackable tiga dimensi (3D), skalabilitas, dan struktur sederhana [1,2,3, 4]. Namun, arus menyelinap yang melewati sel yang berdekatan harus dikurangi untuk menghindari kegagalan operasi potensial yang dapat terjadi pada struktur 3D cross-point array (CPA) dengan kepadatan sel yang tinggi [5, 6]. Perangkat pemilih dua terminal dengan arus off-state rendah dan rasio on/off tinggi lebih disukai untuk mengatasi masalah arus menyelinap tersebut [7, 8].
Berbagai jenis perangkat pemilih dengan karakteristik threshold switching (TS) telah diusulkan sebelumnya, termasuk Ovonic threshold switch (OTS) [9], transisi metal-insulator (MIT) [10], field-assisted super-linear threshold switch (FAST) [11], metalisasi elektrokimia (ECM) [12], dan konduksi ionik-elektronik campuran (MIEC) [13]. Namun, selektivitas dan arus bocor selektor OTS dan MIT harus ditingkatkan untuk aplikasi praktis [9, 10]; sifat bahan yang digunakan untuk penyeleksi FAST tidak diketahui [11]. Sementara itu, perangkat ECM dan MIEC dengan Ag atau Cu telah menarik banyak perhatian karena karakteristik TS yang diinginkan, termasuk arus bocor yang rendah, rasio on/off yang tinggi, kemiringan turn-on yang curam, dan histeresis yang besar antara tegangan ambang ( VTH ) dan tahan tegangan (VTahan ) [14,15,16]. Dalam struktur satu-selektor-satu resistor (1S1R), jendela tegangan untuk operasi baca ditentukan oleh tegangan yang disetel (VSetel ) dari memori dan VTH dari pemilih. Karena VSetel bervariasi sesuai dengan bahan yang digunakan untuk perangkat memori, modulasi VTH diperlukan untuk memfasilitasi pengoperasian perangkat 1S1R [17]. Terlebih lagi, perbedaan besar antara VTH dan VTahan dapat meringankan kerumitan operasional struktur CPA dan melonggarkan persyaratan pencocokan tegangan yang ketat [18, 19].
Mekanisme pensaklaran perangkat pemilih tersebut menggunakan logam aktif, seperti Ag atau Cu, didasarkan pada pembentukan dan pelarutan saluran konduksi logam. Oleh karena itu, matriks bahan elektrolit secara signifikan mempengaruhi migrasi logam aktif dan kecepatan switching selektor. Kecepatan switching pemilih berdasarkan elektrolit berbasis oksida umumnya lebih lambat dari urutan mikrodetik [20,21,22], yang relatif lambat jika dibandingkan dengan perangkat pemilih OTS [23] atau MIT yang dilaporkan sebelumnya [24] ]. Sementara itu, cacat pada film kalkogenida, seperti Te tidak terikat (NBT), dapat menurunkan energi aktivasi untuk migrasi ion logam aktif; oleh karena itu, bahan chalcogenide lebih disukai untuk migrasi cepat ion logam aktif [18]. Namun, karena saluran konduksi logam yang terbentuk secara acak, bahan ini memiliki kelemahan dalam hal karakteristik daya tahan switching, yang merupakan faktor penting untuk selektor [14, 18, 25]. Daya tahan perangkat ECM dapat ditingkatkan dari 10
3
sampai 10
6
siklus menggunakan lapisan buffer menengah [26]. Namun, peningkatan daya tahan lebih lanjut diperlukan untuk aplikasi praktis perangkat tersebut dalam struktur CPA [5].
Dalam penelitian ini, Ga2 . amorf sangat cacat Te3 digunakan sebagai lapisan switching dengan menyisipkan lapisan Ag untuk menyelidiki karakteristik TS dalam hal kebocoran arus rendah (arus off-state), selektivitas tinggi, modulasi VTH dan VTahan , dan daya tahan tinggi. Ga Amorf2 Te3 menguntungkan sebagai bahan elektrolit karena terdapat beberapa NBT yang menurunkan energi aktivasi migrasi Ag dan kekosongan Ga, yang berperan sebagai tempat migrasi Ag pada Ga amorf2 Te3 film [27,28,29].
Metode
Perangkat pemilih TiN/Ag/Ga2 Te3 Tumpukan /TiN dibuat dengan struktur lubang untuk menyelidiki karakteristik TS mereka, seperti yang digambarkan pada Gambar 1a. Pertama, busi TiN dengan ukuran 0,42 μm × 0,42 μm dibentuk sebagai elektroda bawah (BEs). Ga2 Te3 film tipis dengan ketebalan 40 nm diendapkan melalui co-sputtering magnetron RF menggunakan Ga2 Target Te dan Te. Selanjutnya, film Ag dengan ketebalan 10 nm diendapkan pada Ga2 Te3 film melalui sputtering magnetron DC. Akhirnya, elektroda atas TiN (TE) dibentuk menggunakan sputtering magnetron DC dan metode pengangkatan.
a Skema Ag/Ga2 Te3 perangkat pemilih. b Gambar TEM penampang TiN/Ag-Ga2 Te3 /Perangkat pemilih TiN
Sifat kelistrikan diselidiki menggunakan penganalisis Keysight B1500A pada 298 K. Tes pensaklaran DC dilakukan dengan arus kepatuhan (Ikomp ) untuk menghindari kerusakan keras pada perangkat TS. Selain itu, AC SayaV pengukuran dilakukan dengan resistansi beban eksternal 1 MΩ untuk mencegah kerusakan perangkat. Struktur mikro perangkat diselidiki menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM; JEOL FEM-F200), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Sampel TEM penampang perangkat disiapkan menggunakan sistem berkas ion terfokus. Distribusi atom Ag dalam Ga2 Te3 film diselidiki menggunakan pengukuran spektroskopi dispersif energi TEM (EDS).
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan gambar TEM penampang dari TiN/Ag-Ga2 murni Te3 /TiN tumpukan perangkat pemilih. Interlayer Ag dengan ketebalan 10 nm tidak teramati di atas Ga2 Te3 film pendek. Gambar 2b menyajikan pemetaan EDS dari elemen Ga, Te, Ag, dan Ti untuk daerah persegi panjang merah yang ditandai pada Gambar 2a. Gambar pemetaan EDS menunjukkan bahwa Ag terdistribusi secara merata di Ga2 Te3 film meskipun proses co-sputtering Ag tidak diterapkan. Ag-Ga yang homogen2 Te3 film mungkin telah terbentuk mungkin karena difusi Ag selama pembentukan tumpukan. Homogenisasi Ag yang cepat juga dilaporkan untuk film GeTe [30,31,32]. Ag dapat berdifusi ke dalam Ga2 Te3 film tipis karena cacat seperti kekosongan NBT dan Ga di Ga2 Te3 film tipis [18, 27,28,29].
a Gambar TEM penampang TiN/Ag-Ga2 Te3 / Struktur perangkat TiN. b Gambar pemetaan TEM–EDS Ga, Te, Ag, dan Ti untuk daerah persegi panjang merah yang ditandai dengan a
Gambar 3a menunjukkan karakteristik arus-tegangan (I−V) dari Ag-Ga2 Te3 perangkat dengan area elektroda bawah 0,42 µm × 0,42 µm untuk 100 siklus sapuan DC berturut-turut. Perangkat menunjukkan karakteristik TS tanpa proses pembentukan. Saat tegangan pada TE disapu dari 0 hingga 1,5 V, arus konduksi meningkat secara tiba-tiba pada VTH 0.87 V ke Sayakomp yang disetel ke 1 A, yang menunjukkan bahwa perangkat beralih dari status resistansi tinggi (HRS) ke status resistansi rendah (LRS). Perangkat santai kembali ke HRS di VTahan 0,12 V saat voltase diturunkan dari 1,5 menjadi 0 V, menunjukkan perbedaan yang cukup besar antara VTH dan VTahan . Arus off-state di VTH diukur menjadi kurang dari 100 fA, yang sesuai dengan salah satu nilai terendah jika dibandingkan dengan penyeleksi berbasis kalkogenida yang dilaporkan sebelumnya menggunakan logam aktif seperti Ag atau Cu [14, 18, 25, 30, 33]. Selektivitas, yang didefinisikan sebagai rasio arus on-state terhadap arus off-state, kira-kira 10
8
. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, kurva I−V menunjukkan karakteristik TS yang stabil untuk berbagai Ikomp nilai mulai dari 10 nA hingga 10 µA, yang menunjukkan fleksibilitasnya dalam arus operasi. TS bebas pembentukan dengan perbedaan besar antara VTH dan VTahan dari Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih jelas lebih disukai daripada karakteristik TS dari Ga2 Te3 -hanya perangkat pemilih OTS [34]. Karena proses pembentukan dianggap sebagai hambatan potensial untuk aplikasi perangkat nyata, karakteristik bebas-pembentukan dari Ag-Ga2 Te3 perangkat lebih disukai daripada perangkat pemilih, yang membutuhkan proses pembentukan [35]. Selanjutnya, karakteristik TS dengan histeresis besar dari Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih dapat menurunkan kompleksitas operasional struktur CPA dan memudahkan persyaratan pencocokan tegangan yang ketat [18, 19]. Selain itu, Ag-Ga2 Te3 selektor menunjukkan kemiringan turn-on yang curam sebesar 0,19 mV/des dengan laju pemindaian 1,5 mV per langkah pengukuran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih menunjukkan karakteristik yang sangat baik termasuk selektivitasnya yang tinggi (10
8
), arus off-state rendah (<100 fA), kemiringan tikungan curam (0,19 mV/des), dan karakteristik bebas pembentukan.
aAku –V karakteristik Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih untuk hasil sapuan tegangan DC selama 100 siklus berturut-turut. Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih menunjukkan arus bocor yang sangat rendah (< 100 fA) dengan rasio hidup/mati 10
8
. b Karakteristik TS dari Ag-Ga2 Te3 -perangkat pemilih berbasis di berbagai Ikomp nilai dari 10 nA hingga 10 μA. c Tampilan close-up dari I –V kurva di TS yang menunjukkan kemiringan 0,19 mV/des
Karena variasi dalam kinerja perangkat merupakan faktor penting untuk penerapan pemilih pada struktur CPA, distribusi VTH , VTahan , resistansi dari status resistansi tinggi (RSDM ), dan resistansi dari status resistansi rendah (RLRS ) diselidiki untuk 25 perangkat acak. Gambar 4a menunjukkan bahwa distribusi tegangan ambang berkisar antara 0,75 hingga 1,08 V, sedangkan distribusi tegangan tahan berkisar antara 0,06 hingga 0,375 V. Selain itu, distribusi resistansi pada HRS berkisar antara 10
11
sampai 10
14
, sedangkan resistensi di LRS kira-kira 10
6
, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Karena pembentukan saluran konduksi logam, perangkat pemilih menggunakan logam aktif seperti Ag atau Cu menunjukkan karakteristik variasi yang relatif luas [36, 37]. Oleh karena itu, penelitian tentang peningkatan keandalan karakteristik ini melalui doping atau penyisipan lapisan penyangga telah dilaporkan [37, 38].
a Variasi perangkat ke perangkat VTH dan VTahan untuk 25 perangkat. b Variasi perangkat ke perangkat RSDM dan RLRS untuk 25 perangkat
Untuk menyelidiki respon transien Ag-Ga2 Te3 selektor, arus diukur menggunakan unit pengukuran cepat generator bentuk gelombang (WGFMU) selama pulsa tegangan dengan ketinggian 3 V, waktu naik-turun 100 ns, dan durasi 1,5 μs dengan resistansi beban eksternal 1 MΩ, sebagai ditunjukkan pada Gambar 5a. Arus konduksi Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih mencapai nilai puncaknya setelah 406 ns dari titik di mana tegangan mencapai maksimum 3 V. Selanjutnya, perangkat dialihkan ke keadaan tidak aktif dalam waktu 605 ns setelah tegangan yang diberikan dihilangkan. Oleh karena itu, waktu penyalaan dan waktu penyalaan Ag-Ga2 Te3 pemilih diperkirakan masing-masing sekitar 400 ns dan 600 ns. Pergantian lambat dari Ag-Ga2 Te3 pemilih dapat dikaitkan dengan migrasi dan reaksi redoks Ag untuk pembentukan saluran konduksi. Selain itu, pengaruh tegangan yang diterapkan dan suhu pengukuran pada waktu pensaklaran diselidiki dengan tegangan input 1,5−5 V dan pada suhu pengukuran 298−375 K. Waktu penyalaan diturunkan dari 1 μs menjadi 294 ns, sedangkan waktu penonaktifan ditingkatkan dari 400 ns menjadi 849 ns karena tegangan pulsa meningkat dari 1,5 menjadi 3,5 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Ketergantungan kecepatan switching pada tegangan yang diberikan sebanding dengan hasil lapisan Ag yang dilaporkan sebelumnya pada HfO2 dan TiO2 [39]. Selain itu, Gambar. 5c menunjukkan bahwa waktu penyalaan dan penonaktifan menurun dengan meningkatnya suhu pengukuran. Menurut plot Arrhenius kecepatan switching terhadap pengukuran suhu ditunjukkan pada Gambar. 5d, ketergantungan eksponensial kecepatan switching pada suhu pengukuran dapat dikaitkan dengan proses yang difasilitasi secara termal, seperti difusi atom Ag dalam matriks film elektrolit [40]. Energi aktivasi untuk menyalakan dan mematikan masing-masing diperkirakan 0,50 eV dan 0,40 eV, yang sebanding dengan yang disajikan dalam laporan sebelumnya tentang perangkat berbasis filamen Ag [41]. Dilaporkan bahwa saluran konduktif Ag terbentuk di bawah bias listrik di HfO2 , SiO2 , dan TiO2 [15, 42, 43]. Namun, dalam penelitian ini, Ag diamati terdistribusi secara merata pada Ga2 . murni murni Te3 film. Meskipun mekanisme TS di Ga2 Te3 film dengan distribusi Ag yang seragam tidak dipahami dengan jelas, Ag mungkin terkait dengan pembentukan saluran konduktif di Ga2 Te3 film di bawah bias listrik. Oleh karena itu, ketergantungan kecepatan switching pada tegangan input dan suhu pengukuran Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih dapat dikaitkan dengan pembentukan saluran konduktif.
a AC Aku –V pengukuran Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih (kondisi pengukuran:waktu naik = 100 ns, durasi = 1,5 μs, waktu turun = 100 ns, dan tegangan input = 3 V). b Ketergantungan kecepatan switching pada tegangan pulsa yang diterapkan. c Beralih ketergantungan kecepatan pada suhu pengukuran. d Plot Arrhenius dari kecepatan switching terhadap suhu pengukuran
Karakteristik daya tahan AC diselidiki di bawah kondisi pulsa tegangan yang sama dengan uji kecepatan switching. Tegangan pembacaan untuk HRS dan LRS masing-masing adalah 0,5 dan 3 V. Resistansi terukur dari HRS dan LRS diplot untuk 450 poin per dekade, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih menunjukkan karakteristik daya tahan yang stabil hingga 10
9
siklus mempertahankan selektivitas 10
8
, sehingga menunjukkan karakteristik daya tahan switching yang sangat baik bila dibandingkan dengan selektor lain yang menggunakan kalkogenida dan logam aktif [18, 25, 30].
Karakteristik ketahanan AC dari Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih hingga 10
9
siklus (tegangan pembacaan 0,5 V dan 3 V untuk RSDM dan RLRS , masing-masing)
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, kami mendemonstrasikan karakteristik TS yang stabil dari perangkat pemilih yang dibuat menggunakan Ag dengan mobilitas ion tinggi dan Ga2 amorf yang sangat cacat. Te3 sebagai lapisan peralihan. Analisis TEM dari TiN/Ag-Ga2 Te3 /TiN struktur menunjukkan bahwa interlayer Ag tertanam sepenuhnya menyebar ke dalam Ga2 Te3 film untuk menghasilkan distribusi Ag yang seragam pada Ga2 Te3 lapisan. Ini mungkin karena struktur yang sangat rusak dari Ga2 Te3 selama deposisi TE TiN berikutnya. Ag-Ga2 Te3 perangkat pemilih menunjukkan TS bebas-bentuk, histeresis besar (1 V), selektivitas tinggi (10
8
), arus off-state rendah (<100 fA), kemiringan curam (0,19 mV/des), dan karakteristik daya tahan yang sangat baik (10
9
siklus). Selain itu, pengukuran AC I−V menunjukkan kecepatan switching berada di urutan ratusan nanodetik. Ketergantungan kecepatan switching pada tegangan pulsa mungkin merupakan efek gabungan dari migrasi Ag dan reaksi redoks. Selain itu, perilaku Arrhenius dari kecepatan switching berdasarkan suhu pengukuran menunjukkan bahwa TS terkait dengan proses yang difasilitasi secara termal. Kesimpulannya, Ag-Ga2 Te3 perangkat dengan karakteristik TS dan daya tahan yang sangat baik merupakan kandidat yang menjanjikan untuk pemilih dalam aplikasi memori CPA.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data tersedia sepenuhnya tanpa batasan.
Singkatan
3D:
3-Dimensi
BPA:
Array titik silang
TS:
Peralihan ambang
OTS:
Sakelar ambang batas Ovonik
MIT:
Transisi logam-isolator
CEPAT:
Sakelar ambang batas super-linier berbantuan lapangan
