AlOx 기반의 저항성 스위칭 메모리 소자는 ITO 기판에 Al막을 증착하고 진공에서 400°C에서 어닐링하는 산화 확산 공정에 의해 제조됩니다. AlOx ~ 20 nm 두께의 인터페이스 층이 저항 스위칭 층으로 형성됩니다. 규정 준수 전류가 제한될 때(≥ 1 mA) 양극 및 단극 저항 스위칭(RS) 동작이 얻어집니다. 단극 RS 거동에서 장치는 저온(40 K)에서 설정/재설정 주기를 수행하지 못하는데, 이는 주울 가열이 단극 RS 거동에 필수적임을 시사합니다. 양극성 RS 거동에서 급격한 재설정은 온도가 감소함에 따라 점진적인 재설정으로 변환되며, 이는 줄 가열이 전도성 필라멘트의 파열에 영향을 미친다는 것을 암시합니다. 또한 고저항 상태와 저저항 상태의 전도성 메커니즘은 I-V 곡선의 온도 의존성에 의해 드러납니다. 저저항 상태의 경우 전도 메커니즘은 9.93 meV의 도약 활성화 에너지를 갖는 전자 도약 메커니즘으로 인한 것입니다. 고저항 상태의 경우 수송 메커니즘은 SCLC(Space-Charge-Limited Conduction) 메커니즘에 의해 지배됩니다.
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배경
RRAM(Resistive Switching Random Access Memory)은 차세대 비휘발성 메모리의 가장 유망한 후보 중 하나로 많은 관심을 받고 있습니다[1,2,3,4]. 기존의 상용화된 플래시 메모리 및 기타 신흥 비휘발성 메모리와 비교하여 RRAM 장치는 구조가 간단하고(MIM) 쓰기/지우기 속도가 빠르며 내구성 및 보존 성능이 뛰어납니다[5,6,7,8]. 기존의 상보형 금속 산화물 반도체 기술과 호환되는 저항성 스위칭 재료 중 하나인 AlOx 기반 RRAM도 광범위하게 연구되어 다단계 저장 기능과 자체 수정으로 인해 더 매력적인 응용 가능성을 가지고 있습니다[9, 10]. 일반적으로 금속 산화물 소자에서 두 가지 스위칭 유형이 관찰됩니다. (1) 인가된 전압의 극성에 의존하지 않는 단극 스위칭 및 (2) 인가된 전압의 극성에 의존하는 바이폴라 스위칭. 고유한 스위칭 메커니즘은 다릅니다. 소자 구조, 전극 재료 및 프로그래밍 전류와 같은 많은 요인이 저항성 스위칭 유형에 영향을 미칠 수 있습니다[11]. HfO2와 같은 일부 금속 산화물 재료에서 단극 및 양극 전환의 공존이 보고되었습니다. , NiO 및 ZnO [12,13,14,15,16]. 양극성 저항 스위칭(RS) 동작은 산소 결손으로 구성된 전도성 필라멘트의 형성/파열과 관련이 있습니다. 단극 RS 거동은 종종 열 손상 전도성 필라멘트 또는 상 구조 전환으로 인해 발생합니다. 양극성 RS 동작은 일반적으로 AlOx에서 관찰됩니다. 기반 RRAM. AlOx에서 단극 및 양극 행동의 공존 RRAM은 거의 보고되지 않았으며 단극 RS 동작의 물리적 전환 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다.
이 논문에서는 AlOx에서 단극 및 양극 RS 동작의 공존을 보고합니다. 기반 RRAM. 다양한 순응 전류에 대한 단극 및 쌍극 스위칭의 저항성 스위칭 특성을 연구함으로써, 줄 가열은 단극 RS 동작의 재설정 프로세스에서 파열 전도성 필라멘트를 설명하는 데 사용됩니다. 전도성 필라멘트 내부의 국부 온도가 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트가 끊어지고 단극성 RS 거동이 발생합니다. 더욱이, 재설정 과정에서 전도성 필라멘트 파열을 돕기 위해 줄 가열의 사용이 양극성 RS 거동에 대해 제안되었습니다. 줄 가열의 효과는 장치를 다른 온도에 두어 잘 검증됩니다. 한편, AlOx에 대한 서로 다른 온도에서의 성능 효과 RRAM도 조사됩니다. RS 동작의 안정성과 제어 가능성은 향후 RRAM 어레이를 적용하는 데 필수적입니다. 저항성 스위칭 프로세스에서 줄 가열의 영향에 대한 더 깊은 이해는 중요하고 필요합니다. 또한, 우리는 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)에 대한 전류의 온도 의존성에 의한 전도성 메커니즘을 조사합니다.
방법
AlOx 기반 저항성 스위칭 메모리 장치 다음 공정으로 제작됩니다. 개략도는 그림 1(a)-(d)에 나와 있습니다. ITO 유리 기판 표면에 섀도우 마스크로 Al과 Pt를 차례로 스퍼터링하여 직경 200μm의 원형 스폿을 형성합니다. Al을 덮는 Pt 층은 다음 어닐링 공정 동안 Al 표면의 산화를 피하기 위해 사용될 수 있습니다. 장치는 진공에서 4 시간 동안 400 °C에서 어닐링됩니다. 어닐링되지 않은 샘플은 참조용으로 사용됩니다. 단면 주사전자현미경(SEM) 사진은 소자의 구조를 보여준다. 열처리된 Pt/Al/ITO 소자의 3층 구조가 그림 1(e)의 삽입도에 나와 있습니다. 최상층은 Pt 전극(~ 66 nm)입니다. 중간 층은 열처리된 Al 층(~ 256 nm)입니다. 하단 레이어는 ITO 전극(~ 161 nm)입니다. 장치의 미세 구조는 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)으로 분석됩니다. 동일한 장비에서 EDX(Energy Dispersive X-ray) 분광기를 사용하여 요소의 분포를 얻습니다. I-V 테스트는 실온에서 dc 스윕 모드에서 Agilent B1500A 반도체 매개변수 분석기를 사용하여 수행됩니다. I-V 특성의 온도 의존성은 5 × 10
−5
진공 상태에서 Lake Shore CRX-4K 시스템에서 감지됩니다. 토르.
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제작 과정의 개략도. (아 ) ITO/유리 기판. (b ) 스퍼터링에 의한 Al 전극의 증착. (ㄷ ) Al 전극을 덮고 있는 Pt. (d ) Al2Ox의 형성 진공에서 400 °C에서 어닐링하여 인터페이스 층. (이 ) 어닐링된 Pt/Al/ITO 소자의 SEM 이미지. Pt, Al 및 ITO의 두께는 각각 약 66 nm, 256 nm 및 161 nm입니다.
결과 및 토론
Pt/Al/ITO 소자를 어닐링한 후 미세 구조 변화를 확인하기 위해 HRTEM을 사용하여 Al과 ITO 유리 기판 사이의 영역을 확인합니다. 그림 2a와 b는 각각 어닐링되지 않은 샘플과 어닐링된 샘플을 보여줍니다. 어닐링되지 않은 샘플과 비교하여 4 h 후에 어닐링된 샘플에서 명백한 계면층이 발견됩니다. 인터페이스 층의 두께는 ~ 20 nm입니다. EDX 스펙트럼은 그림 2c와 같이 Al과 ITO 사이의 원소 분포를 식별하는 데 사용됩니다. 어닐링 과정에서 Al/ITO 계면의 계면에서 산소 원자의 명백한 확산이 발생했습니다. 다른 원소(In, Sn)는 EDX 스펙트럼에서 상당한 확산을 나타내지 않습니다. 다른 금속과 비교하여 Al은 해당 금속 산화물을 형성하기 위해 더 낮은 표준 깁스 자유 에너지(- 1582.9 KJ/mol)를 가지고 있습니다[17]. 인터페이스 AlOx 어닐링 과정에서 형성된 층입니다.
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아 열처리되지 않은 Pt/Al/ITO의 단면 HRTEM 이미지. ㄴ 4 h 후 열처리된 샘플의 단면 HRTEM 이미지. 인터페이스 층이 형성됩니다. ㄷ 5가지 원소(Al, O, In, Sn 및 Si)의 에너지 분산 X선(EDX) 스펙트럼
그림 3a는 어닐링되지 않은 샘플 전류-전압(I-V) 특성을 보여줍니다. 어닐링되지 않은 TEM 결과와 일치하는 저항성 스위칭 동작은 관찰되지 않습니다. AlOx 없음 저항성 스위칭층이 형성된다. 삽입된 그림은 전기 측정의 개략도를 보여줍니다. I-V 측정 중에는 상단 전극(Pt)에 전압이 인가되고 하단 전극(ITO)이 접지됩니다. 어닐링된 장치도 동일한 조건에서 측정됩니다. 어닐링된 장치는 단극 및 양극 RS 거동의 공존을 보여줍니다. 두 RS 동작은 독립적으로 활성화될 수 있습니다. 그림 3b는 단극 RS 거동의 50사이클 스윕 곡선을 보여줍니다. 컴플라이언스 전류는 10 mA로 설정되어 설정 프로세스 동안 장치가 심하게 파손되는 것을 방지합니다. 화살표는 전압 스위핑 방향을 나타냅니다. 양의 전압 스윕(0 V → 3.5 V)이 Pt 전극에 적용됩니다. 장치는 고저항 상태에서 저저항 상태로 전환합니다(설정 프로세스 또는 프로그래밍 프로세스). 그 후 또 다른 전압 스윕(0 V → 1 V)으로 인해 컴플라이언스 전류가 제거된 상태에서 급격한 전류 감소가 발생합니다. 장치가 HRS(재설정 프로세스 또는 지우기 프로세스)로 전환됩니다. 장치를 활성화하기 위해 더 큰 성형 전압이 필요하지 않습니다. 삽입은 80 사이클 내구성 특성과 R의 비율을 표시합니다. 켜기 /R꺼짐 약 10
3
입니다. 0.1 V의 읽기 전압을 사용하여 그림 3c는 양극성 RS 동작을 보여줍니다. RS 동작은 반대 전압 극성에서 관찰됩니다. 설정 및 리셋 스위핑 전압은 0 V → +3.4 V → 0 V → − 2.5 V → 0 V의 순서를 따릅니다. Pt 상단 전극에 양의 바이어스 전압이 가해지면 장치가 HRS에서 LRS로 전환됩니다. 그런 다음 음의 바이어스 전압에서 HRS로 다시 전환됩니다. 단극의 경우와 유사하게 명백한 전기 주조 공정은 관찰되지 않습니다. 삽입된 그림은 150 주기에 대한 내구성 특성을 보여줍니다. R의 비율 켜기 /R꺼짐 약 10
3
입니다. 0.1 V의 읽기 전압을 사용합니다.
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아 어닐링되지 않은 Pt/Al/ITO 소자에 대한 I-V 곡선. 삽입된 그림은 전기 측정의 개략도를 보여줍니다. Pt 상단 전극은 인가된 바이어스 전압이고 ITO는 접지되어 있습니다. ㄴ 단극 스위칭을 위한 50사이클 I-V 곡선(4 h 동안 풀림). 점선은 컴플라이언스 전류 Icc =10 mA를 나타냅니다. 빨간색 선은 첫 번째 설정 프로세스와 재설정 프로세스를 나타냅니다. 화살표는 전압 스위핑 방향을 나타냅니다. 읽기 전압은 0.1 V로 설정되어 있습니다. 삽입은 내구성 특성을 보여줍니다. ㄷ 바이폴라 스위칭을 위한 50사이클 I-V 곡선(4 h 동안 풀림). 삽입은 내구성 특성을 보여줍니다. 읽기 전압은 0.1 V
로 설정됩니다.
일반적으로 양극성 RS 동작은 종종 AlOx에서 관찰됩니다. 기반 RRAM 장치. 양극성 스위칭 메커니즘은 산소 결손으로 구성된 전도성 필라멘트를 형성/파열하기 때문입니다[11, 16]. 상부전극에 양의 전압을 인가하면 산소이온(O
2-
) 상단 전극으로 이동하여 산소 결손을 남깁니다. 산소 결손이 축적되어 전도성 필라멘트를 형성합니다. 장치가 LRS로 전환됩니다. 상부 전극에 음의 전압이 가해지면 산소 이온이 AlOx로 다시 추출됩니다. 전도성 필라멘트가 파열됩니다. 바이폴라 스위칭 메커니즘은 전기화학적 메커니즘과 관련이 있습니다. 그러나 설정 프로세스와 리셋 프로세스는 유니폴라 스위칭 동작에 대해 동일한 전압 극성으로 발생합니다. 단극 저항성 스위칭은 전도성 필라멘트 열 파괴에 의해 트리거됩니다. 스위칭 메커니즘은 다른 RRAM 장치의 열 기반 메커니즘으로 설명됩니다[16]. 줄 가열이 AlOx의 단극 스위칭 동작을 설명하는지 확인하려면 RRAM, 다른 규정 준수 전류가 장치를 통과하는 전류 흐름을 제어하는 데 사용됩니다.
그림 4a는 다양한 컴플라이언스 전류에 대한 바이폴라 스위칭 동작의 I-V 특성을 보여줍니다. 전도성 필라멘트 저항은 설정 컴플라이언스 전류로 제어할 수 있습니다. LRS의 낮은 저항(Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ)은 컴플라이언스 전류를 증가시켜 얻을 수 있습니다. LRS의 저항(RLRS ) 서로 다른 규정 준수 전류에서 수십 옴에서 수천 옴까지 다양합니다. 다른 RLRS 값은 서로 다른 컴플라이언스 전류에서 서로 다른 전도성 필라멘트 크기의 형성과 관련이 있습니다. 줄 가열은 필라멘트 크기가 감소함에 따라 감소합니다[18]. 특히, 컴플라이언스 전류 Icc =100 uA 및 Icc =1 mA일 때 바이폴라 RS 동작에서 리셋 프로세스 동안 점진적인 리셋 프로세스가 관찰되며, 이는 Icc =10 mA에서의 급격한 리셋과 다릅니다. 점진적인 재설정은 전도성 필라멘트의 점진적인 파열로 설명됩니다[19]. 갑작스런 리셋은 줄 가열 보조 파열과 관련이 있습니다[20]. 양극성 RS 거동에 대한 줄 가열의 영향은 갑작스러운 재설정 프로세스에 반영됩니다. 양극성 RS 거동은 높은 프로그래밍 전류에서 전기화학적 메커니즘과 줄 가열의 조합으로 간주될 수 있습니다[13, 21].
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아 서로 다른 규정 준수 전류에서 바이폴라의 I-V 곡선:Icc =10 mA(점선), Icc =1 mA(파란색 선) 및 Icc =100 uA(녹색 선). 읽기 0.1 V에서 서로 다른 규정 준수 전류에서 LRS 저항(Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω, Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω, Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). ㄴ 다양한 규정 준수 전류에서 단극 동작의 I-V 곡선:Icc =10 mA(점선), Icc =1 mA(파란색 선) 및 Icc =100 uA(검은색 선)
그림 4b는 다양한 적합성 전류(Icc =10 mA, Icc =1 mA 및 Icc =100 uA)에서 단극 특성을 보여줍니다. 단극 스위칭은 순응 전류 Icc =10 mA 및 1 mA에서만 관찰됩니다. 1 V 이내의 컴플라이언스 전류 Icc =10 mA의 리셋 전압과 비교할 때, 리셋 전압(Icc =1 mA)은 1.5 V 이상으로 분명히 증가하고 리셋 전류는 리셋 조작. 재설정 프로세스 후의 현재 값은 적합성 전류에 가깝습니다. 장치를 초기 상태(~ 100 KΩ)로 재설정할 수 없습니다. Russo et al. 제안된 임계 온도(T크리티컬 ) 자가 가속 열 용해 모델의 단극 리셋 프로세스의 경우 [22]. 두 전극 사이에 리셋 전압을 인가했을 때 전도성 필라멘트 내부의 온도가 임계값에 도달하면 전도성 필라멘트가 녹아 리셋 상태에서 끊어진다. 임계 온도, 전압, 전류 및 저항 간의 기능 관계는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
티0 실온, R번째 는 크기 의존성이 약한 전도성 필라멘트의 유효 열 저항이며 전력은 P로 쓸 수 있습니다. 재설정 =V재설정 · 나재설정 . 더 낮은 컴플라이언스 전류 Icc =1 mA의 경우 더 큰 리셋 전압이 필요합니다. 전도성 필라멘트의 가장 뜨거운 지점이 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트의 열 안정성이 악화됩니다. 전도성 필라멘트가 연속적으로 파열됩니다. 그런 다음 단극 RS 동작이 발생합니다. 그러나 LRS 전류는 컴플라이언스 전류 Icc =100 uA에 대해 더 작습니다. 리셋 전압이 증가하더라도 전류 값은 더 큰 컴플라이언스 전류(Icc =1 mA 및 Icc =10 mA)에서 전류 레벨에 도달하기 어렵습니다. 생성된 줄 가열은 임계 온도에 도달하기에 충분하지 않습니다. 따라서 단극 RS 동작은 관찰되지 않습니다. 리셋 전압을 더 높이면 소자가 파손될 수 있습니다. 따라서 단극 RS 동작은 AlOx의 줄 가열에 의해 구동됩니다. 램.
RS 거동에 대한 줄 가열의 영향에 대한 추가 연구를 위해 장치를 다른 온도에 배치했습니다. 설정 과정에서 컴플라이언스 전류 Icc =10 mA가 사용됩니다. 양극성 거동의 I-V 곡선은 그림 5a에 나와 있습니다. 급격한 리셋 프로세스는 온도를 40 K까지 낮추면서 점진적인 리셋 프로세스로 변환한다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 300 K 및 340 K에 비해 줄 가열은 40 K에서 잘 분산될 수 있습니다. 줄 가열의 효과는 다음과 같습니다. 최소한으로 줄였습니다. 따라서 전기화학적 메커니즘은 바이폴라 스위칭 동작에서 리셋 프로세스 동안 중요한 역할을 합니다. 점진적인 재설정 과정은 부분적으로 파열된 전도성 필라멘트로 설명됩니다. 동일한 리셋 전압에서 장치를 초기 상태로 리셋할 수 없습니다. 이 현상은 다른 금속 산화물 재료에서도 관찰됩니다[23]. 그림 5b와 c는 서로 다른 온도에서 바이폴라 스위칭에서 작동 전류(HRS, LRS)와 전압(SET, RESET)의 통계적 분포를 보여줍니다. 분명히 HRS 전류는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 또한 SET 전압은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 이러한 관찰은 줄 가열이 전도성 필라멘트의 파손에 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 온도가 상승하면 AlOx에 남아 있는 전도성 필라멘트가 줄어듭니다. 리셋 프로세스 동안 저항성 스위칭 레이어. 더 많은 절연 고저항 상태가 얻어진다. SET 전압은 분명히 증가합니다. LRS 전류는 온도가 증가함에 따라 약간 증가하는데, 이는 반도체의 특성 수송에 해당합니다. 그림 5d는 다른 온도에서 단극 행동의 I-V 특성을 보여줍니다. 300 K 및 340 K에 비해 장치는 열 손실로 인해 40 K에서 초기 상태로 재설정할 수 없습니다. 전도성 필라멘트 내부의 온도가 임계 온도에 도달하지 않습니다. 전도성 필라멘트는 완전히 파열될 수 없습니다. 장치는 준수 전류 Icc =10 mA(파란색 점선)에서 LRS로 다시 전환할 수 없습니다. 그림 5e와 f는 서로 다른 온도에서 단극 스위칭에서 작동 전류(HRS, LRS)와 전압(SET, RESET)의 통계적 분포를 보여줍니다. 유사하게, 온도가 증가함에 따라 더 높은 HRS 전류와 더 큰 SET 전압이 관찰됩니다. 따라서 줄 가열은 단극성 RS 거동에 필수적인 것으로 간주됩니다.
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아 컴플라이언스 전류 Icc =10 mA에서 서로 다른 온도(40 K(파란색 선), 300 K(빨간색 점선) 및 340 K(녹색 선))에서의 양극성 거동의 I-V 곡선. ㄴ 서로 다른 온도(40 K, 300 K 및 340 K)에서 20개의 바이폴라 스위칭 주기에 대한 HRS 및 LRS 전류의 통계적 결과입니다. ㄷ 서로 다른 온도(40 K, 300 K 및 340 K)에서 20개의 바이폴라 스위칭 주기에 대한 SET 및 RESET 전압의 통계적 결과입니다. d 컴플라이언스 전류 Icc =10 mA에서 서로 다른 온도(40 K(파란색 선), 300 K(빨간색 점선) 및 340 K(녹색 선))에서 단극 동작의 I-V 곡선. 파란색 점선은 재설정 작업 후 다음 설정 프로세스를 나타냅니다. 이 서로 다른 온도(300 K 및 340 K)에서 20개의 단극 스위칭 주기에 대한 HRS 및 LRS 전류의 통계적 결과입니다. 에 서로 다른 온도(300 K 및 340 K)에서 20개의 단극 스위칭 주기에 대한 SET 및 RESET 전압의 통계적 결과
전도 메커니즘에 대한 더 나은 연구를 위해 I-V 곡선을 피팅하여 스위칭 메커니즘을 미리 추정합니다. I-V 곡선은 그림 6a와 같이 이중 로그 플롯으로 다시 그려집니다. LRS는 1에 가까운 기울기를 갖는 Ohmic 전도 거동을 보여주며 이는 아마도 전도성 필라멘트의 형성으로 인해 발생할 수 있습니다[24]. HRS는 두 영역으로 나눌 수 있습니다. 저전압 영역(<0.4 V, 영역 1)에서는 Ohmic 전도 거동이 관찰되는 반면 고전압 영역(> 0.4 V, 영역 2)에서는 기울기가 다음과 같습니다. 2에 가까움. 수송 거동은 SCLC(space-charge-limited conduction)와 일치한다[25]. SCLC 모델에서 전류 밀도 J 트랩 제어 SCLC 배출에 대해 다음과 같이 설명할 수 있습니다.
아 포지티브 바이어스에서 로그-로그 스케일을 사용하는 I-V 곡선에 대한 선형 피팅. ㄴ 250 K ~ 340 K의 HRS에 대한 전류의 온도 의존성 c 활성화 에너지 Eα 다른 전압에서 요약됩니다. 삽입된 그림은 HRS의 다양한 전압에서 현재 온도 데이터의 Arrhenius 플롯을 보여줍니다. d 250 K ~ 340 K의 LRS에 대한 전류의 온도 의존성 e 전도도 ln I 대 온도 T
−1/4
의 관계 . 읽기 전압은 0.1 V입니다. f 활성화 에너지 Eα =9.93 meV가 계산됩니다.
여기서 q 기본 요금, n0 열 생성 자유 캐리어, μ 전자 이동도, εr 정적 유전 상수, ε0 공간의 유전율, θ 총 캐리어 밀도에 대한 자유 캐리어 밀도의 비율, V 인가 전압이고 d 는 필름 두께입니다. 영역 1(낮은 인가 전압)에서 옴의 법칙(I ∝ V
1
), 열 여기로 인해 소수의 캐리어가 생성되고 이 영역의 가전자대 또는 불순물 수준에서 전도대로 여기될 수 있습니다. 인가 전압이 증가하면 주입된 캐리어가 트랩됩니다. 전도는 공간 전하 한정이 됩니다. HRS의 전류는 제곱법칙(I ∝ V
2
) 영역 2에서. 그림 6b는 HRS 전류의 온도 의존성을 보여줍니다. 전류는 온도가 증가함에 따라 증가하는데, 이는 반도체와 같은 전도 거동을 시사합니다[26, 27]. 데이터의 Arrhenius 유형 플롯의 기울기(그림 6c의 삽입)에서 활성화 에너지(Eα ) 0.01 V에서 2 V까지는 그림 6c에 요약되어 있습니다. 결과는 Eα 저전압 영역에서 상대적으로 높고(~ 0.15 eV) 옴 전도 거동을 보입니다. 전압이 증가함에 따라 Eα 감소하는데 이는 SCLC의 특징이다[28]. 온도 의존 I-V 분석은 HRS의 SCLC 전도 메커니즘을 명확하게 지원합니다.
그림 6d는 LRS의 전류가 온도가 증가함에 따라 약간 증가하여 반도체와 같은 전도 거동을 보여줍니다. 금속 전도성 필라멘트는 제외됩니다. 그림 6e는 ln(I)과 T
−1/4
간의 선형 관계를 보여줍니다. 이는 LRS의 메커니즘이 Mott의 가변 범위 호핑 모델을 따른다는 것을 암시합니다[29, 30]. 두 개의 국부적 상태의 에너지 준위가 충분히 가깝고 파동 기능이 겹치면 전자는 열 에너지의 도움으로 두 사이트 사이를 이동할 수 있습니다. 활성화 에너지 값 Eα 그림 6f와 같이 LRS의 경우 9.93 meV이며, 이는 26 meV(실온에서 활성화 에너지)보다 작습니다. 이 값은 실온에서 전자의 가변 범위 도약을 보장합니다. 다른 금속 산화물 반도체에서 호핑 메커니즘은 LRS에서도 관찰되며 I-V 곡선 피팅은 실온에서 Ohmic 전도성 거동을 보여줍니다[31]. 따라서 LRS의 저항성 스위칭 메커니즘은 전도성 필라멘트의 산소 결손과 관련이 있습니다.
그림 7은 단극 및 양극 저항 스위칭 모델을 보여줍니다. 세트 프로세스에서 단극 및 양극 RS 거동의 경우 산소 이온은 전기장 아래에서 상단 전극을 향해 이동합니다. 마지막으로, 산소 이온이 환원되어 AlOx에 산소 빈자리가 남습니다. 저항성 스위칭 레이어. 산소 결손의 큰 축적은 ITO와 산화되지 않은 Al 층 사이에 산소 전도성 필라멘트를 형성합니다. 장치가 LRS로 설정됩니다. 전자는 그림 7(a) 및 (c)와 같이 산소 결손으로 구성된 전도성 필라멘트를 통해 도약합니다. 리셋 프로세스에서 단극 RS 동작의 경우 컴플라이언스 전류가 제거됩니다. 양의 바이어스가 다시 적용되고 전압이 증가함에 따라 전류가 증가합니다. 전도성 필라멘트 내부의 최고 온도가 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트의 안정성이 나빠지고 쉽게 끊어집니다. 장치는 그림 7(b)와 같이 전도성 필라멘트가 파괴된 후 HRS로 전환됩니다. 바이폴라 RS 동작에서 음의 바이어스가 상단 전극에 적용됩니다. 산소 이온은 AlOx로 다시 추출됩니다. 인터페이스 레이어. 그림 7(d)와 같이 전도성 필라멘트가 파열된다. 장치가 HRS로 재설정됩니다. 리셋 전류가 상대적으로 크면 줄 가열이 전도성 필라멘트 파열 과정을 향상시킵니다. 재설정 프로세스에서 갑작스러운 전환이 나타납니다. HRS의 전자 전달 메커니즘은 두 RS 동작 모두에서 SCLC 메커니즘에 의해 지배됩니다.
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AlOx의 스위칭 메커니즘 개략도 기반 RRAM 장치. (아 ) 양의 전압에서 단극 스위칭을 위한 프로세스를 설정합니다. 전도성 필라멘트는 산소 결손으로 구성됩니다. 검은색 화살표는 전자 이동 방향을 나타냅니다. (b ) 양의 전압에서 단극 스위칭을 위한 리셋 프로세스. 전도성 필라멘트는 줄 가열에 의해 파열됩니다. 전자는 결함에 의해 갇힙니다. HRS의 전도성 메커니즘은 SCLC가 지배합니다. (ㄷ ) 양의 전압에서 바이폴라 스위칭 프로세스를 설정합니다. (d ) 음의 전압에서 바이폴라 스위칭을 위한 리셋 프로세스. 전도성 필라멘트 파열
결론
이 논문에서는 AlOx에서 단극 및 양극 저항 스위칭 동작의 공존이 관찰됩니다. 기반 RRAM. 서로 다른 규정 준수 전류와 다양한 작업 온도에서 단극 및 양극 스위칭의 전류-전압 특성을 연구함으로써 우리는 줄 가열이 AlOx의 단극 저항 스위칭 동작에 필수적임을 제안합니다. 기반 RRAM. 리셋 과정에서 전도성 필라멘트에 높은 프로그래밍 전류가 흐르면 전도성 필라멘트의 국부 온도가 임계 온도에 도달하고 전도성 필라멘트가 파열됩니다. 단극 RS 동작이 발생합니다. 바이폴라 저항성 스위칭 동작에서 리셋 프로세스는 전기화학적 메커니즘뿐만 아니라 줄 가열에 기인합니다. 장치에 높은 소거 전류가 있을 때 열로 인해 전도성 필라멘트가 파열되어 HRS의 저항이 높아지고 AlOx에서 SET 작동 전압이 더 커집니다. 기반 RRAM. 따라서 줄 가열은 RS 성능의 무시할 수 없는 요소입니다. 이 결과는 AlOx의 저항성 스위칭 동작에 대한 줄 가열의 영향을 깊이 이해하는 데 도움이 됩니다. 기반 RRAM. 또한 전도성 메커니즘이 연구됩니다. LRS의 전도성 메커니즘은 전도성 경로를 통해 도약하는 전자 때문입니다. HRS의 경우 전도성 메커니즘은 SCLC 메커니즘에 의해 지배됩니다.
