Estudo sobre a memória de comutação de resistência multinível e fotovoltagem dependente do estado da memória em junções Pt / Nd:SrTiO3

Resumo

Pt / Nd:SrTiO ₃ (STO) / In dispositivos foram fabricados depositando eletrodos de contato Schottky Pt e contato ôhmico em um único cristal STO com dopagem Nd. Os dispositivos Pt / Nd:STO / In mostram memória de comutação de resistência de vários níveis (RS) e efeitos de fotovoltagem dependente do estado de memória (PV), que podem ser controlados pela largura ou magnitude de pulso aplicada. Tanto o RS quanto o PV estão relacionados à modulação induzida pelo viés da barreira da interface, tanto em altura quanto em largura, na interface Pt / Nd:STO. Os resultados estabelecem uma forte conexão entre os efeitos RS / PV e a modulação da interface Nd:STO acionada por campo elétrico aplicado e fornecem uma nova rota usando uma tensão de circuito aberto para detectar não destrutivamente múltiplos estados de memória não volátil.

Histórico

SrTiO ₃ (STO) é um grande isolador de bandgap (3,2 eV). É considerado um material perovskita modelo devido à sua estrutura cúbica simples em uma ampla faixa de temperatura [1]. STO tem um desempenho fotoelétrico abundante que pode ser diretamente manipulado por dopagem com um metal de transição do tipo doador ou aceitador. A gama de aplicações do sistema STO é muito ampla [2, 3]. Recentemente, o sistema STO tem recebido grande atenção científica devido ao fenômeno de chaveamento resistivo (RS), que pode ser considerado um bom candidato para a construção da memória de acesso aleatório resistiva (RRAM) [4, 5].

O dispositivo RS baseado em STO é geralmente uma estrutura de metal / STO / metal. As propriedades RS do sistema STO, isto é, de STO dopado com aceitador para doador, foram amplamente investigadas. Diferentes mecanismos físicos foram propostos para explicar o comportamento de comutação. Para STO dopado por aceitador (por exemplo, Fe e Cr), os trabalhos enfatizam a mudança de propriedade no volume do cristal, em que o RS foi atribuído à migração de vacância de oxigênio conduzida por campo elétrico, seja o transporte rápido de vacâncias de oxigênio ao longo de deslocamentos ou a formação de matriz de vacância de oxigênio sob alto estresse elétrico [6,7,8,9,10,11]. Por outro lado, para o dispositivo RS baseado em doador-dopado (por exemplo, Nb) STO, o contato do tipo Schottky entre o metal e o tipo n Nb:STO é necessário e enfatizado por muitos trabalhos. No entanto, alguns relatórios conectaram RS com mudanças na camada de depleção de elétrons nas junções metal / Nb:STO, que é causada pela estequiometria de oxigênio dentro de uma camada interfacial fina [12,13,14] ou por um desvio da estequiometria de cátion nominal na região próxima à superfície [15, 16] e alguns relatórios sugerem que a barreira interfacial é mantida inalterada durante o processo de RS, mas os filamentos condutores desempenham um papel vital para a alteração da resistência [17,18,19].

Em vista dos pontos relatados acima, é óbvio que não houve consenso sobre o mecanismo de troca de OST do tipo doador. Duas visões de interface e mudança de resistência em massa coexistem até agora. Quanto às razões específicas para RS, ainda existem muitos mecanismos físicos relatados. O mecanismo físico pouco claro impede o progresso do RRAM com base no material STO. Para esclarecer o mecanismo de RS e desenvolver dispositivo RRAM com base no sistema STO do tipo doador, é uma vantagem estudar diferentes materiais STO dopados com metal.

As propriedades de transporte eletrônico do STO podem ser moduladas via dopagem com metal de transição [20]. Em comparação com filmes finos, o cristal único tem propriedades homogêneas em toda a área e defeitos físicos e químicos bem estabelecidos. Até agora, encontramos apenas cristais únicos STO dopados por doador com elemento Nb relatados para dispositivos RS. Para cristais únicos STO dopados com Nd (Nd:STO), o raio iônico de Sr ²⁺ , Ti ⁴⁺ e Nd ³⁺ (Nd ²⁺ ) é 0,118, 0,0605 e 0,0983 (0,129) nm, respectivamente, sugerindo que Nd ³⁺ poderia facilmente substituir Sr ²⁺ em vez de Ti ⁴⁺ devido ao raio semelhante entre Nd ³⁺ e Sr ²⁺ [21]. Este local de substituição é diferente do tipo n Nb:STO. Portanto, o cristal único de Nd:STO é um material dopado por doador e com condutividade do tipo n que será certificado pelo efeito Hall posteriormente. Nd:STO cristal único é um novo STO tipo n para RS, e não encontramos os trabalhos relatados até agora.

É geralmente conhecido que o efeito fotovoltaico (PV) está relacionado ao campo elétrico interno [22,23,24,25,26]. Portanto, espera-se que o efeito PV seja dependente dos estados de memória se o RS for determinado principalmente pela camada de depleção próxima ao metal e à interface STO do tipo n. Por outro lado, o PV é irrelevante para os estados de memória se o RS for induzido pelos filamentos condutores. Neste trabalho, foram fabricados eletrodos de contato Schottky Pt e contato ôhmico In em um único cristal Nd:STO tipo n. A memória RS e o efeito PV foram estudados juntos para esclarecer o mecanismo de chaveamento do dispositivo Pt / Nd:STO / In. Curiosamente, os resultados mostram claramente que o dispositivo Pt / Nd:STO / In tem memória multi-nível e efeito PV controlado por estado de memória, que pode ser modulado pelo viés de comutação. Os resultados sugerem que o mecanismo compartilhado para RS e PV relaciona-se à modulação da barreira da interface Pt / Nd:STO, que são induzidas pela injeção e captura ou retirada de portadores.

Métodos

Cristais únicos Nd:STO (100) no tamanho de 5 mm × 5 mm × 0,5 mm com dopagem com 0,05% em peso de Nd foram selecionados como substrato. Os eletrodos In (eletrodos laranja) foram pressionados diretamente na superfície áspera de Nd:STO para formar os contatos ôhmicos. Os eletrodos de Pt com um diâmetro de 0,1 mm foram pulverizados no cristal único de Nd:STO através de uma máscara de sombra (eletrodos azuis). A distância entre dois eletrodos de Pt próximos foi de 0,5 mm. A inserção na Fig. 2a mostra a configuração dos dispositivos Pt / Nd:STO / In e In / Nd:STO / In. As características de corrente-tensão (I – V) e RS foram medidas em um Keithley 2400 SourceMeter. Um campo elétrico positivo é definido como a corrente que flui do eletrodo In para o Pt.

O efeito Hall foi realizado usando o sistema de medição Hall Ecopia HMS-3000 para investigar a concentração de portadores induzida pelo doping com Nd. A estrutura cristalina do STO foi examinada por difração de raios-X (XRD, Bruker, D8-Advance) usando radiação Cu Kα. As medições de espalhamento Raman foram realizadas em um espectrômetro micro-Raman confocal (Renishaw R-1000) com luz laser visível de comprimento de onda de 632,8 nm como fonte de excitação.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra os padrões de XRD de cristais não dopados STO e Nd:STO. Todos os picos correspondem à fase perovskita e podem ser indexados ao grupo espacial cúbico Pm3m com constante de rede a ≈ 3,905 Å. Os picos não mostram qualquer mudança observável após a implantação de Nd, indicando que a dopagem de Nd tem pouco efeito na estrutura em massa. Os espectros Raman de cristais não dopados STO e Nd:STO são dados na Fig. 1b. O espectro Raman de STO não dopado mostra duas bandas largas distintas originadas de espalhamento de segunda ordem, que são centradas em 200-400 cm ⁻¹ e 600–800 cm ⁻¹ e pertence à estrutura perovskita cúbica ideal. A posição dessas duas bandas está de acordo com a literatura publicada [27, 28]. A linha alargada com diminuição da banda larga de segunda ordem em Nd:STO também é observada, indicando uma centrossimetria mais fraca como resultado de desordem local induzida por dopagem com Nd. Comparando com os padrões de XRD, os resultados de Raman indicam que existem alguns defeitos estruturais na superfície do cristal único de Nd:STO, que devem ser induzidos pelo doping de Nd.

É geralmente conhecido que o cristal único STO não dopado é um material isolante. Para investigar o impacto do Nd-doping nas propriedades elétricas do cristal único STO, o efeito Hall foi medido. Os resultados de Hall mostram que o cristal único de Nd:STO está em condutividade do tipo n e a concentração de portador é de cerca de 2 × 10 ¹⁹ cm ⁻¹ . Esta condutividade do tipo n pode ser atribuída à substituição de Nd ³⁺ em Sr ²⁺ sites.

A inserção da Fig. 2a mostra a ilustração esquemática dos dispositivos In / Nd:STO / In e Pt / Nd:STO / In. O eu - V as características de ambos os dispositivos In / Nd:STO / In e Pt / Nd:STO / In são representados graficamente na Fig. 2a, b, respectivamente. A tensão de varredura foi aplicada como 0 V → 5 V → 0 V → - 5 V → 0 V com uma corrente de conformidade de 50 mA. O dispositivo In / Nd:STO / In possui I linear - V curvas (mostradas na Fig. 2a) e exibe um bom contato ôhmico entre os eletrodos In pressionados e o cristal único Nd:STO, mas nenhum efeito RS aparece, enquanto o dispositivo Pt / Nd:STO / In mostra propriedades RS reversíveis, como mostrado em Fig. 2b. Quando a tensão aplicada aumenta, ocorre a transição de resistência, a direção da transição depende da polaridade da tensão aplicada. Quando a tensão aplicada diminui, o estado de alta e baixa resistência (HRS e LRS) será mantido, indicando que o estado de resistência é estável e não volátil após a formação. O grande eu - V a histerese mostra o Pt / Nd:o dispositivo STO / In tem as propriedades de memória; o comportamento do diodo prototípico indica que uma barreira Schottky é formada na interface Pt en Nd:STO e domina a resistência do dispositivo Pt / Nd:STO / In. Portanto, é fácil concluir que o efeito RS do dispositivo Pt / Nd:STO / In vem da interface Schottky entre os monocristais Pt e Nd:STO. Este resultado, RS é dependente da interface Schottky, está de acordo com nossos trabalhos relatados sobre cristal único Nb:STO tipo n [29].

Para avaliar o potencial de aplicação do dispositivo Pt / Nd:STO / In em multi-memória, o efeito da largura e amplitude do pulso nos estados de resistência foi investigado e mostrado na Fig. 3a-c. O dispositivo foi inicialmente configurado para LRS por um pulso de - 5 V com largura de 100 ms e, em seguida, aplicado por um pulso de + 5 V com larguras de pulso variadas de 100 ns, 10 μs e 10 ms, respectivamente. A resistência foi lida a 0,1 V. A transição de resistência correspondente de LRS para estados de resistência intermediários ou HRS foi alcançada, conforme mostrado na Fig. 3a. A Figura 3b mostra os ciclos RS consecutivos de HRS a LRS induzidos pelos pulsos de polaridade oposta. Os resultados confirmam que a resistência multinível pode ser obtida por tensão de pulso com larguras diferentes. A propriedade de retenção de cada estado de resistência foi investigada posteriormente, e nenhuma mudança significativa nas magnitudes de resistência foi observada (mostrado no Arquivo adicional 1:Figura S1). A Figura 3c apresenta loops de memória resistiva não volátil típicos controlados por tensão de pulso. O dispositivo Pt / Nd:STO / In foi primeiro configurado para LRS por um pulso de - 3 V, seguido pela varredura da tensão de pulso para + 2 V (ou + 3, + 4 e + 5 V) e de volta para - 3 V com largura de pulso de 100 ms. A resistência foi lida em 0,1 V. Uma série de estados de resistência intermediários podem ser alcançados ajustando a magnitude do pulso. A partir da Fig. 3a-c, temos o resultado que o estado de resistência de vários níveis do dispositivo Pt / Nd:STO / In pode ser alcançado ajustando a largura ou magnitude do pulso, indicando que o dispositivo se comporta como um memristor [23, 30 ]

É geralmente conhecido que a fotoexcitação de portadores de carga ocorre quando o comprimento de onda iluminado corresponde ao gap óptico do material ativo. Os elétrons e lacunas gerados serão separados pelo campo elétrico interno, o que leva ao efeito PV [23,24,25]. No caso do dispositivo Pt / Nd:STO / In, se os estados de memória de vários níveis são determinados principalmente pela camada de depleção perto da interface Pt / Nd:STO, espera-se que o efeito PV seja dependente dos estados de memória do dispositivo. Pelo contrário, o PV é irrelevante para os estados de memória se a camada de depleção for mantida inalterada durante o processo de RS. Mais interessante, encontramos um efeito PV dependente do estado de memória para o dispositivo Pt / Nd:STO / In. A Figura 4a, b mostra o I - V curvas no regime de baixa polarização (- 0,6 a + 0,6 V) após alternar com uma série de pulsos de + 1 a + 5 V com 100 ms (alternando de LRS para estados de resistência intermediários e para HRS) sob a iluminação clara e escura , respectivamente. Sob iluminação leve, o I - V curvas de HRS exibem mudanças notáveis ao longo do eixo de tensão, e a tensão de circuito aberto (Voc) (tensão na corrente zero) é tão alta quanto ~ 135 mV. Correspondendo a uma série de estados de resistência intermediários, o Voc diminui gradualmente com a diminuição da resistência do dispositivo e é insignificante para LRS. Considerando que pouca mudança foi observada para I - V curvas medidas no escuro. Resultado semelhante foi obtido por Hu et al. [23]. Além disso, um método de teste para Voc foi relatado por Shang et al. [24,25,26]. De acordo com este método, o Voc foi medido posteriormente em LRS e HRS. Como esperado, um aumento de tensão é produzido pela iluminação, e o Voc depende da resistência da junção (consulte o arquivo adicional 1:Figura S2). Os resultados acima atestam que a magnitude do Voc depende dos estados de memória do dispositivo Pt / Nd:STO / In.

A memória multi-nível e o efeito PV dependente do estado de memória do dispositivo Pt / Nd:STO / In sugerem inequivocamente que os estados de memória são principalmente determinados pela camada de depleção perto da interface Pt / Nd:STO. Em outras palavras, a largura e altura da barreira Schottky perto da interface Pt / Nd:STO serão moduladas pela tensão de varredura. De acordo com os resultados Raman na Fig. 1b, existem alguns defeitos (por exemplo, vacâncias de oxigênio) na superfície Nd:STO. Quando uma tensão ou pulso negativo foi aplicado ao dispositivo, os elétrons injetados do eletrodo In foram aprisionados pelos defeitos na interface Pt / Nd:STO. Os elétrons presos levam a uma barreira Schottky mais estreita e mais baixa, resultando em LRS. Em contraste, durante a próxima varredura de polarização positiva, os elétrons presos são liberados devido à existência da região de depleção, resultando em HRS. Além disso, a distribuição espacial dos defeitos deve ser desigual. A fixação de Fermi pode ser formada no defeito de alta densidade, de modo que o HRS e o LRS podem ser mantidos quando a polarização aplicada é removida. A camada de depleção pode ser ajustada pela largura ou magnitude do pulso, de forma que estados de memória de vários níveis foram observados. A Figura 5 mostra o diagrama esquemático para o processo de captura ou retirada de elétrons na interface Pt / Nd:STO.

O efeito PV dependente do estado de memória é induzido por diferentes larguras e alturas da barreira da interface Pt / Nd:STO em diferentes estados de memória. O HRS com região de depleção mais ampla resulta em mais pares elétron-buraco gerados na região de depleção sob iluminação de luz. Os elétrons fotogerados são direcionados para o bulk de Nd:STO pela forte curvatura da banda para cima no HRS, e os buracos fazem um túnel através da barreira, resultando em um Voc mais alto. Por outro lado, o LRS com região de depleção mais baixa e mais estreita resulta em um Voc mais baixo. Em geral, o Voc depende da largura e altura da barreira da interface, que corresponde aos estados de memória de vários níveis do dispositivo Pt / Nd:STO / In.

Observe que ambos os estados de memória e o efeito PV exibem dependência semelhante na polarização de comutação, indicando o mecanismo compartilhado relacionado à depleção / acumulação de elétrons na interface Nd:STO, revelando a importância da barreira da interface e da redistribuição de carga da interface (Fig. 5). O efeito PV é induzido pelos elétrons fotogerados e buracos separados pelo campo elétrico interno. Assim, o efeito PV dependente do estado de memória observado no dispositivo Pt / Nd:STO / In atesta que o RS é induzido pela modulação induzida por polarização da barreira Schottky na interface Pt / Nd:STO e não pela formação de filamentos condutores. O Voc depende dos estados de memória, portanto, tal efeito PV dependente do estado de resistência fornece uma nova rota usando Voc para detectar os estados de memória do dispositivo RS, além da leitura de resistência convencional [23]. Esta nova rota de leitura é não destrutiva e confiável porque a iluminação não altera o estado da memória dos dispositivos.

Conclusões

Em resumo, investigamos as características RS e PV de dispositivos memristivos baseados em Nd:STO monocristalinos. O efeito RS está relacionado à junção Schottky próxima à interface de cristal único Pt e Nd:STO tipo n. Os estados de memória podem ser modulados pela largura ou magnitude do pulso. O efeito PV dependente do estado de memória do dispositivo Pt / Nd:STO / In é obtido pela tensão de comutação. Esses efeitos complementares são atribuídos à modulação induzida por polarização da barreira de interface, tanto em altura quanto em largura, na interface Pt / Nd:STO, que é causada pela injeção de portadora e processo de captura / retirada de encapsulamento na interface Pt / Nd:STO . Os resultados estabelecem uma forte conexão entre os efeitos RS / PV e a modulação da interface Nd:STO acionada por campo elétrico aplicado e fornecem uma nova rota usando Voc para detectar não destrutivamente múltiplos estados de memória não volátil.

Abreviações

HRS:: Estado de alta resistência
I - V :: Corrente electrica
LRS:: Estado de baixa resistência
PV:: Fotovoltagem
RRAM:: Memórias de resistência de acesso aleatório
RS:: Mudança de resistência
XRD:: Difração de raios X

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