Selektor Ga₂Te₃ Doped Ag: Pengalihan Ambang Daya Tahan Tinggi untuk Memori Cross-Point 3D
Abstrak
Pengalihan ambang dalam kalcogenida telah menarik perhatian besar karena potensi aplikasinya dalam struktur array cross-point padat yang dapat ditumpuk tiga dimensi. Namun, meskipun memiliki karakteristik pengalihan ambang yang unggul, selektivitas dan daya tahan selektor semacam ini perlu ditingkatkan untuk aplikasi praktis. Dalam penelitian ini, efek Ag terhadap perilaku pengalihan ambang selektor Ga₂Te₃ dikaji dari segi selektivitas dan daya tahan. Selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan selektivitas tinggi sebesar 10⁸ dengan arus off-state rendah < 100 fA, slope turn-on yang curam sebesar 0,19 mV/dec, dan daya tahan tinggi sebesar 10⁹ siklus. Respons transien diverifikasi bergantung pada tegangan masukan pulsa dan suhu pengukuran. Dengan mempertimbangkan karakteristik pengalihan ambang yang unggul, selektor Ag-Ga₂Te₃ merupakan kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi dalam struktur array cross-point.
Pendahuluan
Memori akses acak resistif telah diteliti sebagai kandidat yang menjanjikan untuk memori nonvolatil generasi mendatang, berkat operasinya yang sederhana, konsumsi daya rendah, potensi dapat ditumpuk tiga dimensi (3D), skalabilitas, dan struktur sederhana [1,2,3,4]. Namun, arus sulting yang melewati sel-sel berseberangan harus dikurangi untuk menghindari kegagalan operasi potensial yang dapat terjadi dalam struktur array cross-point (CPA) 3D dengan kepadatan sel tinggi [5, 6]. Perangkat selektor dua terminal dengan arus off-state rendah dan rasio on/off tinggi dipilih untuk mengatasi masalah arus sulting ini [7, 8].
Berbagai jenis perangkat selektor dengan karakteristik pengalihan ambang (TS) telah dikemukakan sebelumnya, termasuk interruttore ambang Ovonic (OTS) [9], transisi logam-insulator (MIT) [10], interruttore ambang ambang superlinier bantu medan (FAST) [11], metalisasi elektrokimiawi (ECM) [12], dan konduksi ionik-elektronik campuran (MIEC) [13]. Namun, selektivitas dan arus bocor selektor OTS dan MIT perlu ditingkatkan untuk aplikasi praktis [9, 10]; sifat bahan yang digunakan untuk selektor FAST tidak diketahui [11]. Sementara itu, perangkat ECM dan MIEC dengan Ag atau Cu telah menarik perhatian besar karena karakteristik TS yang diinginkan, termasuk arus bocor rendah, rasio on/off tinggi, slope turn-on yang curam, dan histeresis besar antara tegangan ambang (VTH) dan tegangan hold (VHold) [14,15,16]. Dalam struktur satu selektor-satu resistor (1S1R), jendela tegangan untuk operasi baca ditentukan oleh tegangan set (VSet) memori dan VTH selektor. Karena VSet bervariasi sesuai dengan bahan yang digunakan untuk perangkat memori, modulasi VTH diperlukan untuk memfasilitasi operasi perangkat 1S1R [17]. Selain itu, selisih besar antara VTH dan VHold dapat mengurangi kompleksitas operasional struktur CPA dan melonggarkan persyaratan pencocokan tegangan yang ketat [18, 19].
Mekanisme pengalihan perangkat selektor semacam ini yang 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 pengalihan selektor. Kecepatan pengalihan selektor berbasis elektrolit oksida umumnya lebih lambat dari urutan mikrodetik [20,21,22], yang relatif lambat dibandingkan dengan OTS [23] atau perangkat selektor MIT [24] yang sebelumnya dilaporkan. Sementara itu, cacat dalam film kalcogenida, seperti Te tidak terikat (NBT), dapat menurunkan energi aktivasi untuk migrasi ion logam aktif; oleh karena itu, bahan kalcogenida lebih disukai untuk migrasi ion logam aktif yang cepat [18]. Namun, karena saluran konduksi logam yang terbentuk secara acak, bahan-bahan ini memiliki kelemahan dalam hal karakteristik daya tahan pengalihan, yang merupakan faktor krusial untuk selektor [14, 18, 25]. Daya tahan perangkat ECM dapat ditingkatkan dari 10³ hingga 10⁶ siklus menggunakan lapisan perantara [26]. Namun, perbaikan daya tahan lebih lanjut diperlukan untuk aplikasi praktis perangkat semacam ini dalam struktur CPA [5].
Dalam penelitian ini, Ga₂Te₃ amorp yang sangat cacat digunakan sebagai lapisan pengalihan dengan memasukkan lapisan Ag untuk mengkaji karakteristik TS dari segi arus bocor rendah (arus off-state), selektivitas tinggi, modulasi VTH dan VHold, serta daya tahan tinggi. Ga₂Te₃ amorp menguntungkan sebagai bahan elektrolit karena terdapat beberapa NBT yang menurunkan energi aktivasi migrasi Ag dan rongga Ga, yang bertindak sebagai situs migrasi untuk Ag dalam film Ga₂Te₃ amorp [27,28,29].
Metode
Perangkat selektor tumpukan TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN dibuat dengan struktur lubang via untuk mengkaji karakteristik TS-nya, seperti yang digambarkan dalam Gambar 1a. Pertama, plug TiN dengan ukuran 0,42 μm × 0,42 μm dibentuk sebagai elektroda bawah (BE). Film tipis Ga₂Te₃ dengan ketebalan 40 nm diabadikan melalui co-sputtering magnetron RF menggunakan target Ga₂Te dan Te. Selanjutnya, film Ag dengan ketebalan 10 nm diabadikan pada film Ga₂Te₃ melalui sputtering magnetron DC. Akhirnya, elektroda atas (TE) TiN dibentuk menggunakan sputtering magnetron DC dan metode lift-off.
a Skematik perangkat selektor Ag/Ga₂Te₃. b Citra TEM cross-section perangkat selektor TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN
Sifat listrik diselidiki menggunakan analisis Keysight B1500A pada 298 K. Uji pengalihan DC dilakukan dengan arus kepatuhan (Icomp) untuk menghindari hard breakdown perangkat TS. Selain itu, pengukuran AC I−V dilakukan dengan beban eksternal 1 MΩ untuk mencegah breakdown perangkat. Mikrostruktur perangkat diselidiki menggunakan mikroskop transmisi elektron (TEM; JEOL FEM-F200), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b. Sampel TEM cross-section perangkat disiapkan menggunakan sistem ion beam terfokus. Distribusi atom Ag dalam film Ga₂Te₃ diselidiki menggunakan pengukuran TEM-spektroskopi energi dispersif (EDS).
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2a menunjukkan citra TEM cross-section tumpukan TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN asli dari perangkat selektor. Lapisan antar Ag dengan ketebalan 10 nm tidak terlihat di atas film tipis Ga₂Te₃. Gambar 2b menyajikan pemetaan EDS elemen Ga, Te, Ag, dan Ti untuk wilayah persegi panjang merah yang ditandai dalam Gambar 2a. Citra pemetaan EDS menunjukkan bahwa Ag didistribusikan secara merata dalam film Ga₂Te₃ meskipun proses co-sputtering Ag tidak diterapkan. Film Ga₂Te₃ Ag-homogen mungkin terbentuk karena difusi Ag selama pembentukan tumpukan. Homogenisasi cepat Ag seperti ini juga dilaporkan untuk film GeTe [30,31,32]. Ag mungkin difusi ke dalam film tipis Ga₂Te₃ karena cacat seperti NBT dan rongga Ga dalam film tipis Ga₂Te₃ [18, 27,28,29].
a Citra TEM cross-section struktur perangkat TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN. b Citra pemetaan TEM–EDS Ga, Te, Ag, dan Ti untuk wilayah persegi panjang merah yang ditandai dalam a
Gambar 3a menunjukkan karakteristik arus−tegangan (I−V) perangkat Ag-Ga₂Te₃ dengan area elektroda bawah 0,42 µm × 0,42 µm untuk 100 siklus berurutan sweeps DC. Perangkat menunjukkan karakteristik TS tanpa proses forming. Saat tegangan pada TE disweep dari 0 hingga 1,5 V, arus konduksi meningkat tiba-tiba pada VTH ≈ 0,87 V hingga Icomp yang diatur ke 1 µA, yang menunjukkan perangkat beralih dari keadaan resistensi tinggi (HRS) ke keadaan resistensi rendah (LRS). Perangkat kembali ke HRS pada VHold ≈ 0,12 V saat tegangan dikurangi dari 1,5 ke 0 V, menunjukkan selisih besar antara VTH dan VHold. Arus off-state pada VTH diukur kurang dari 100 fA, yang merupakan salah satu nilai terendah dibandingkan dengan selektor berbasis kalcogenida yang sebelumnya dilaporkan menggunakan logam aktif seperti Ag atau Cu [14, 18, 25, 30, 33]. Selektivitas, yang didefinisikan sebagai rasio arus on-state terhadap arus off-state, sekitar 10⁸. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, kurva I−V menunjukkan karakteristik TS yang stabil untuk berbagai nilai Icomp yang berkisar dari 10 nA hingga 10 µA, menunjukkan fleksibilitasnya dalam arus operasi. TS bebas forming dengan selisih besar antara VTH dan VHold dari perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ sangat menguntungkan dibandingkan karakteristik TS perangkat selektor OTS Ga₂Te₃ murni [34]. Karena proses forming dianggap sebagai hambatan potensial untuk aplikasi perangkat nyata, karakteristik bebas forming perangkat Ag-Ga₂Te₃ lebih menguntungkan dibandingkan perangkat selektor yang memerlukan proses forming [35]. Selain itu, karakteristik TS dengan histeresis besar perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ dapat menurunkan kompleksitas operasional struktur CPA dan melonggarkan persyaratan pencocokan tegangan yang ketat [18, 19]. Secara tambahan, selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan slope turn-on yang curam sebesar 0,19 mV/dec dengan laju sken 1,5 mV per langkah pengukuran, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c. Perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan karakteristik unggul termasuk selektivitas tinggi (10⁸), arus off-state rendah (<100 fA), slope turn-on yang curam (0,19 mV/dec), dan karakteristik bebas forming.
a Karakteristik I–V perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ untuk hasil sweep tegangan DC selama 100 siklus berurutan. Perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan arus bocor yang sangat rendah (< 100 fA) dengan rasio on/off 10⁸. b Karakteristik TS perangkat selektor berbasis Ag-Ga₂Te₃ pada berbagai nilai Icomp dari 10 nA hingga 10 μA. c Tampilan close-up kurva I–V pada TS yang menunjukkan slope turn-on sebesar 0,19 mV/dec
Karena variasi performa perangkat adalah faktor krusial untuk aplikasi selektor dalam struktur CPA, distribusi VTH, VHold, resistensi keadaan resistensi tinggi (RHRS), dan resistensi keadaan resistensi rendah (RLRS) diselidiki untuk 25 perangkat acak. Gambar 4a menunjukkan bahwa distribusi tegangan ambang bervariasi dari 0,75 hingga 1,08 V, sementara distribusi tegangan hold bervariasi dari 0,06 hingga 0,375 V. Selain itu, distribusi resistensi pada HRS bervariasi dari 10¹¹ hingga 10¹⁴ Ω, sementara resistensi pada LRS sekitar 10⁶ Ω, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b. Akibat pembentukan saluran konduksi logam, perangkat selektor yang menggunakan logam aktif seperti Ag atau Cu menunjukkan karakteristik variasi yang relatif lebar [36, 37]. Oleh karena itu, studi tentang peningkatan keandalan karakteristik ini melalui doping atau penyisipan lapisan perantara telah dilaporkan [37, 38].
a Variasi antar-perangkat VTH dan VHold untuk 25 perangkat. b Variasi antar-perangkat RHRS dan RLRS untuk 25 perangkat
Untuk mengkaji respons transien selektor Ag-Ga₂Te₃, arus diukur menggunakan unit pengukuran cepat generator gelombang (WGFMU) selama pulsa tegangan dengan ketinggian 3 V, waktu naik−turun 100 ns, dan durasi 1,5 μs dengan beban eksternal 1 MΩ, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a. Arus konduksi perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ mencapai nilai puncaknya setelah 406 ns dari titik tegangan mencapai maksimum 3 V. Selain itu, perangkat beralih ke keadaan off dalam waktu 605 ns setelah tegangan yang diberikan dihapus. Oleh karena itu, waktu pengalihan on dan waktu pengalihan off selektor Ag-Ga₂Te₃ diperkirakan sekitar 400 ns dan 600 ns, masing-masing. Pengalihan lambat selektor Ag-Ga₂Te₃ dapat disebabkan oleh migrasi dan reaksi redoks Ag untuk pembentukan saluran konduksi. Selain itu, pengaruh tegangan yang diterapkan dan suhu pengukuran pada waktu pengalihan diselidiki dengan tegangan masukan 1,5−5 V dan pada suhu pengukuran 298−375 K. Waktu pengalihan on menurun dari 1 μs ke 294 ns, sementara waktu pengalihan off meningkat dari 400 ns ke 849 ns saat tegangan pulsa meningkat dari 1,5 ke 3,5 V, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b. Ketergantungan kecepatan pengalihan pada tegangan yang diterapkan dapat dibandingkan dengan hasil yang sebelumnya dilaporkan untuk lapisan Ag pada HfO₂ dan TiO₂ [39]. Selain itu, Gambar 5c menunjukkan bahwa waktu pengalihan on dan waktu pengalihan off menurun seiring meningkatnya suhu pengukuran. Menurut plot Arrhenius kecepatan pengalihan terhadap suhu pengukuran yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, ketergantungan eksponensial kecepatan pengalihan pada suhu pengukuran dapat disebabkan oleh proses yang dibantu termal, seperti difusi atom Ag dalam matriks film elektrolit [40]. Energi aktivasi untuk pengalihan on dan pengalihan off diperkirakan masing-masing 0,50 eV dan 0,40 eV, yang dapat dibandingkan dengan yang disajikan dalam laporan sebelumnya tentang perangkat berbasis filamen Ag [41]. Telah dilaporkan bahwa saluran konduktif Ag terbentuk di bawah bias listrik dalam HfO₂, SiO₂, dan TiO₂ [15, 42, 43]. Namun, dalam penelitian ini, Ag diamati didistribusikan secara merata dalam film Ga₂Te₃ asli. Meskipun mekanisme TS dalam film Ga₂Te₃ dengan distribusi Ag yang merata tidak dipahami dengan jelas, Ag mungkin terkait dengan pembentukan saluran konduktif dalam film Ga₂Te₃ di bawah bias listrik. Oleh karena itu, ketergantungan kecepatan pengalihan pada tegangan masukan dan suhu pengukuran perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ dapat disebabkan oleh pembentukan saluran konduktif.
a Pengukuran AC I–V perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ (kondisi pengukuran: waktu naik = 100 ns, durasi = 1,5 μs, waktu turun = 100 ns, dan tegangan masukan = 3 V). b Ketergantungan kecepatan pengalihan pada tegangan pulsa yang diterapkan. c Ketergantungan kecepatan pengalihan pada suhu pengukuran. d Plot Arrhenius kecepatan pengalihan terhadap suhu pengukuran
Karakteristik daya tahan AC diselidiki dalam kondisi pulsa tegangan yang sama dengan tes kecepatan pengalihan. Tegangan baca untuk HRS dan LRS masing-masing 0,5 dan 3 V. Resistensi yang diukur dari HRS dan LRS dipetakan untuk 450 titik per dekade, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan karakteristik daya tahan stabil hingga 10⁹ siklus mempertahankan selektivitas 10⁸, sehingga menunjukkan karakteristik daya tahan pengalihan yang unggul dibandingkan dengan selektor lain yang menggunakan kalcogenida dan logam aktif [18, 25, 30].
Karakteristik daya tahan AC perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ hingga 10⁹ siklus (tegangan baca 0,5 V dan 3 V untuk RHRS dan RLRS, masing-masing)
Kesimpulan
Dalam penelitian ini, kami menunjukkan karakteristik TS stabil perangkat selektor yang dibuat menggunakan Ag dengan mobilitas ion tinggi dan Ga₂Te₃ amorp yang sangat cacat sebagai lapisan pengalihan. Analisis TEM struktur TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN menunjukkan bahwa lapisan antar Ag yang terselubung telah difusi sepenuhnya ke dalam film Ga₂Te₃ untuk menghasilkan distribusi Ag yang merata dalam lapisan Ga₂Te₃. Hal ini mungkin karena struktur yang sangat cacat dari Ga₂Te₃ amorp selama penyetoran TE TiN selanjutnya. Perangkat selektor Ag-Ga₂Te₃ menunjukkan TS bebas forming, histeresis besar (1 V), selektivitas tinggi (10⁸), arus off-state rendah (<100 fA), slope turn-on yang curam (0,19 mV/dec), dan karakteristik daya tahan yang unggul (10⁹ siklus). Selain itu, pengukuran AC I−V menunjukkan kecepatan pengalihan dalam urutan ratusan nanodetik. Ketergantungan kecepatan pengalihan pada tegangan pulsa mungkin merupakan efek gabungan dari migrasi Ag dan reaksi redoks. Selain itu, perilaku Arrhenius kecepatan pengalihan berdasarkan suhu pengukuran menunjukkan bahwa TS terkait dengan proses yang dibantu termal. Kesimpulannya, perangkat Ag-Ga₂Te₃ dengan karakteristik TS dan daya tahan yang unggul adalah kandidat yang menjanjikan sebagai selektor untuk aplikasi memori CPA.
Ketersediaan Data dan Bahan
Seluruh data tersedia sepenuhnya tanpa pembatasan.
