Efeito do aquecimento Joule na característica de chaveamento resistivo em células AlOx feitas por formação de oxidação térmica

Resumo

O AlO _x O dispositivo de memória de comutação resistiva é fabricado por um processo de difusão de oxidação que envolve o depósito de um filme de Al em um substrato de ITO e o recozimento a 400 ° C no vácuo. Um AlO _x camada de interface com uma espessura de ~ 20 nm é formada como uma camada de comutação de resistência. Comportamentos de chaveamento resistivo bipolar e unipolar (RS) são obtidos quando a corrente de complacência é limitada (≥ 1 mA). No comportamento RS unipolar, os dispositivos deixam de realizar os ciclos de set / reset em baixa temperatura (40 K), o que sugere que o aquecimento Joule é essencial para o comportamento RS unipolar. No comportamento RS bipolar, o reset abrupto se transforma em um reset gradual com a diminuição da temperatura, o que sugere que o aquecimento Joule afeta a ruptura do filamento condutor. Além disso, os mecanismos condutores no estado de alta resistência e no estado de baixa resistência são revelados pela dependência das curvas I-V com a temperatura. Para o estado de baixa resistência, o mecanismo de condução é devido ao mecanismo de salto de elétrons, com uma energia de ativação de salto de 9,93 meV. Para o estado de alta resistência, o mecanismo de transporte é dominado pelo mecanismo de condução limitada de carga espacial (SCLC).

Histórico

A memória de acesso aleatório com comutação resistiva (RRAM) tem atraído muita atenção como um dos candidatos mais promissores para memória não volátil de próxima geração [1,2,3,4]. Comparado com a memória flash tradicional comercializada e outras memórias emergentes não voláteis, o dispositivo RRAM tem uma estrutura simples (MIM), velocidade de gravação / exclusão rápida e excelente resistência e desempenho de retenção [5,6,7,8]. Como um dos materiais de comutação resistivos compatíveis com a tecnologia de semicondutor de óxido de metal complementar convencional, AlO _x O RRAM baseado em tecnologia também tem sido amplamente estudado, apresentando potencial de aplicação mais atraente devido à sua capacidade de armazenamento multinível e autorretificação [9, 10]. Geralmente, dois tipos de chaveamento são observados em dispositivos de óxido metálico:(1) chaveamento unipolar, que não depende da polaridade da tensão aplicada e (2) chaveamento bipolar, que depende da polaridade da tensão aplicada. Seus mecanismos de comutação inerentes são diferentes. Muitos fatores podem afetar o tipo de chaveamento resistivo, como a estrutura do dispositivo, materiais do eletrodo e corrente de programação [11]. A coexistência de comutação unipolar e bipolar foi relatada em alguns materiais de óxido de metal, como HfO ₂ , NiO e ZnO [12,13,14,15,16]. O comportamento do chaveamento resistivo bipolar (RS) está relacionado à formação / ruptura de filamentos condutores compostos por vacâncias de oxigênio. O comportamento RS unipolar é freqüentemente devido a um filamento condutor de dano térmico ou transição de estrutura de fase. O comportamento bipolar RS é geralmente observado em AlO _x RRAM baseado em A coexistência de comportamentos unipolares e bipolares em AlO _x RRAM raramente foi relatado, e o mecanismo de comutação física no comportamento RS unipolar ainda não foi esclarecido.

Neste artigo, relatamos a coexistência de comportamentos unipolares e bipolares RS em AlO _x RRAM baseado em Ao estudar as características de chaveamento resistivo de chaveamento unipolar e bipolar para diferentes correntes de complacência, o aquecimento Joule é usado para explicar a ruptura dos filamentos condutores no processo de reset do comportamento RS unipolar. Quando a temperatura local dentro dos filamentos condutores atinge a temperatura crítica, os filamentos condutores são rompidos e ocorre o comportamento RS unipolar. Além disso, o uso do aquecimento Joule para auxiliar na ruptura dos filamentos condutores no processo de reset é proposto para o comportamento RS bipolar. O efeito do aquecimento Joule é bem verificado colocando o dispositivo em diferentes temperaturas. Enquanto isso, o efeito do desempenho em diferentes temperaturas para AlO _x RRAM também é investigado. A estabilidade e controlabilidade do comportamento RS são essenciais para a aplicação de matrizes RRAM no futuro. Uma compreensão mais profunda do efeito do aquecimento Joule no processo de chaveamento resistivo é importante e necessária. Além disso, investigamos o mecanismo condutor pela dependência da corrente com a temperatura para o estado de alta resistência (HRS) e o estado de baixa resistência (LRS).

Métodos

Os dispositivos de memória de comutação resistiva baseados em AlO _x são fabricados pelo seguinte processo. O diagrama esquemático é mostrado na Fig. 1 (a) - (d). O Al e o Pt são pulverizados na superfície do substrato de vidro ITO em sequência com uma máscara de sombra para formar pontos circulares com diâmetro de 200 μm. A camada de Pt que cobre o Al pode ser usada para evitar a oxidação da superfície de Al durante o processo de recozimento seguinte. O dispositivo é recozido a 400 ° C por 4 h no vácuo. Uma amostra não recozida é usada como referência. A fotografia do microscópio eletrônico de varredura (MEV) de seção transversal revela a estrutura do dispositivo. Uma estrutura de três camadas do dispositivo Pt / Al / ITO recozido é mostrada na inserção da Fig. 1 (e). A camada superior é um eletrodo de Pt (~ 66 nm). A camada do meio é uma camada de Al recozido (~ 256 nm). A camada inferior é um eletrodo ITO (~ 161 nm). A microestrutura do dispositivo é analisada por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM). A distribuição dos elementos é obtida por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX) no mesmo equipamento. O teste I-V é realizado usando o analisador de parâmetros de semicondutor Agilent B1500A no modo de varredura CC em temperatura ambiente. A dependência da temperatura da característica I-V é detectada no sistema Lake Shore CRX-4K sob um vácuo de 5 × 10 ⁻⁵ Torr.

Um diagrama esquemático do processo de fabricação. ( a ) ITO / substrato de vidro. ( b ) Deposição do eletrodo de Al por pulverização catódica. ( c ) Pt cobrindo o eletrodo de Al. ( d ) Formação do AlO _x camada de interface por recozimento a 400 ° C no vácuo. ( e ) Imagem SEM do dispositivo Pt / Al / ITO recozido. As espessuras de Pt, Al e ITO são de aproximadamente 66 nm, 256 nm e 161 nm, respectivamente

Resultados e discussão

Para verificar as alterações da microestrutura após o recozimento dos dispositivos Pt / Al / ITO, HRTEM é usado para verificar a região entre os substratos de vidro de Al e ITO. As Figuras 2a eb mostram as amostras não recozidas e recozidas, respectivamente. Em comparação com a amostra não recozida, uma camada de interface óbvia é encontrada na amostra recozida após 4 h. A espessura da camada de interface é de ~ 20 nm. Os espectros de EDX são usados para identificar a distribuição do elemento entre Al e ITO, como mostrado na Fig. 2c. Uma difusão óbvia de átomos de oxigênio ocorreu na interface da interface Al / ITO durante o processo de recozimento. Outros elementos (In, Sn) não exibem difusão significativa nos espectros EDX. Em comparação com outros metais, o Al tem uma energia livre de Gibbs padrão inferior (-1582,9 KJ / mol) para formar os óxidos de metal correspondentes [17]. Inferimos que a interface AlO _x camada formada durante o processo de recozimento.

a Imagem HRTEM de seção transversal do Pt / Al / ITO não recozido. b Imagem HRTEM de seção transversal da amostra recozida após 4 h. Uma camada de interface é formada. c Os espectros de energia dispersiva de raios-X (EDX) de cinco elementos (Al, O, In, Sn e Si)

A Figura 3a mostra a característica de corrente-tensão (I-V) de amostra não recozida. Nenhum comportamento de comutação resistiva é observado, o que é consistente com os resultados de TEM não recozidos. Sem AlO _x camada de comutação resistiva é formada. A inserção mostra um diagrama esquemático da medição elétrica. Durante a medição I-V, a tensão é aplicada ao eletrodo superior (Pt) e o eletrodo inferior (ITO) é aterrado. Os dispositivos recozidos também são medidos nas mesmas condições. O dispositivo recozido mostra a coexistência dos comportamentos unipolares e bipolares do RS. Os dois comportamentos RS podem ser ativados independentemente. A Figura 3b mostra curvas de varredura de 50 ciclos do comportamento RS unipolar. A corrente de conformidade é configurada para 10 mA para evitar a quebra brusca dos dispositivos durante o processo de configuração. As setas indicam a direção de varredura da tensão. Uma varredura de tensão positiva (0 V → 3,5 V) é aplicada ao eletrodo de Pt. O dispositivo muda de um estado de alta resistência para um estado de baixa resistência (processo de configuração ou processo de programação). Posteriormente, outra varredura de tensão (0 V → 1 V) causa uma redução abrupta da corrente com a corrente de complacência removida. O aparelho muda para o HRS (processo de reinicialização ou processo de apagamento). Nenhuma tensão de formação maior óbvia é necessária para ativar o dispositivo. A inserção exibe as características de resistência de 80 ciclos e a proporção de R _em / R _desligado é aproximadamente 10 ³ usando uma tensão de leitura de 0,1 V. A Figura 3c mostra o comportamento RS bipolar. O comportamento RS é observado na polaridade de tensão oposta. As tensões de varredura definidas e redefinidas seguem a sequência de 0 V → +3,4 V → 0 V → - 2,5 V → 0 V. O dispositivo muda de HRS para LRS quando uma tensão de polarização positiva é aplicada ao eletrodo superior de Pt. Em seguida, é comutado de volta para o HRS sob uma tensão de polarização negativa. Semelhante ao caso unipolar, nenhum processo de eletroformação óbvio é observado. A inserção mostra as características de resistência para 150 ciclos. A proporção de R _em / R _desligado é aproximadamente 10 ³ usando uma tensão de leitura de 0,1 V.

a A curva I-V para o dispositivo Pt / Al / ITO não recozido. A inserção mostra um diagrama esquemático da medição elétrica. O eletrodo superior de Pt é a tensão de polarização aplicada e o ITO é aterrado. b A curva I-V de 50 ciclos para comutação unipolar (recozida por 4 h). A linha tracejada indica a corrente de conformidade Icc =10 mA. A linha vermelha indica o primeiro processo definido e o processo de reinicialização. As setas indicam a direção de varredura da tensão. A tensão lida é definida como 0,1 V. A inserção mostra a característica de resistência. c A curva I-V de 50 ciclos para comutação bipolar (recozida por 4 h). A inserção mostra as características de resistência. A tensão lida é definida para 0,1 V

Geralmente, o comportamento bipolar RS é frequentemente observado em AlO _x dispositivos RRAM baseados em O mecanismo de comutação bipolar é devido à formação / ruptura de filamentos condutores compostos de vacâncias de oxigênio [11, 16]. Quando uma tensão positiva é aplicada ao eletrodo superior, os íons de oxigênio (O ²⁻ ) migram para o eletrodo superior, deixando vagas de oxigênio. As lacunas de oxigênio são acumuladas para formar os filamentos condutores. O dispositivo muda para o LRS. Quando uma tensão negativa é aplicada ao eletrodo superior, os íons de oxigênio são extraídos de volta para AlO _x e a ruptura dos filamentos condutores. O mecanismo de comutação bipolar está relacionado ao mecanismo eletroquímico. Porém, o processo de ajuste e o processo de reset ocorrem com a mesma polaridade de tensão para o comportamento de chaveamento unipolar. A comutação resistiva unipolar é disparada pela ruptura térmica do filamento condutor. O mecanismo de chaveamento é explicado por um mecanismo de base térmica em outros dispositivos RRAM [16]. Para verificar se o aquecimento Joule é responsável pelo comportamento de comutação unipolar em AlO _x RRAM, uma corrente de conformidade diferente é usada para controlar o fluxo de corrente através do dispositivo.

A Figura 4a mostra a característica I-V do comportamento de comutação bipolar para diferentes correntes de complacência. A resistência do filamento condutor pode ser controlada pela configuração da corrente de conformidade. Uma resistência mais baixa do LRS (Icc =10 mA, R _LRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, R _LRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, R _LRS ~ 8 KΩ) pode ser obtido aumentando a corrente de conformidade. A resistência no LRS ( R _LRS ) varia de dezenas de ohms a milhares de ohms sob diferentes correntes de conformidade. O diferente R _LRS os valores estão relacionados à formação de diferentes tamanhos de filamentos condutores sob diferentes correntes de conformidade. O aquecimento de Joule diminui com a diminuição do tamanho do filamento [18]. Notavelmente, quando a corrente de conformidade Icc =100 uA e Icc =1 mA, um processo de reset gradual é observado durante o processo de reset no comportamento RS bipolar, que é diferente do reset abrupto em Icc =10 mA. O reset gradual é explicado pela ruptura progressiva do filamento condutor [19]. O reset abrupto está relacionado à ruptura da assistência de aquecimento Joule [20]. A influência do aquecimento Joule no comportamento bipolar do RS se reflete no processo de reset abrupto. O comportamento bipolar RS pode ser considerado uma combinação de um mecanismo eletroquímico e aquecimento Joule em altas correntes de programação [13, 21].

a As curvas I-V do bipolar em diferentes correntes de conformidade:Icc =10 mA (linha pontilhada), Icc =1 mA (linha azul) e Icc =100 uA (linha verde). A resistência LRS em diferentes correntes de conformidade na leitura de 0,1 V (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b As curvas I-V do comportamento unipolar em diferentes correntes de conformidade:Icc =10 mA (linha pontilhada), Icc =1 mA (linha azul) e Icc =100 uA (linha preta)

A Figura 4b mostra as características unipolares sob diferentes correntes de conformidade (Icc =10 mA, Icc =1 mA e Icc =100 uA). A comutação unipolar é observada apenas em uma corrente de conformidade Icc =10 mA e 1 mA. Em comparação com a tensão de reinicialização da corrente de conformidade Icc =10 mA dentro de 1 V, a tensão de reinicialização (Icc =1 mA) é obviamente aumentada em 1,5 V e a corrente de reinicialização diminui em aproximadamente duas ordens de magnitude (~ 724 uA) após o operação de reinicialização. O valor atual após o processo de reinicialização se aproxima da corrente de conformidade. O dispositivo não pode ser redefinido para o estado inicial (~ 100 KΩ). Russo et al. propôs a temperatura crítica ( T _crit ) para o processo de reset unipolar no modelo de dissolução térmica autoacelerada [22]. Quando a temperatura dentro do filamento condutor atinge o valor crítico sob uma tensão de reinicialização aplicada entre os dois eletrodos, o filamento condutivo é dissolvido e quebrado no estado de reinicialização. A relação de função entre a temperatura crítica, tensão, corrente e resistência pode ser descrita como segue:
$$ {T} _ {\ mathrm {crit}} ={T} _0 + {P} _ {\ mathrm {reset}} \ cdotp {R} _ {\ mathrm {th}} $$
T ₀ é a temperatura ambiente, R _th é a resistência térmica efetiva do filamento condutor, que tem uma dependência de tamanho mais fraca, e a energia elétrica pode ser escrita como P _redefinir = V _redefinir · Eu _redefinir . Para a corrente de conformidade inferior Icc =1 mA, uma tensão de reinicialização maior é necessária. Quando o ponto mais quente do filamento condutor atinge a temperatura crítica, a estabilidade térmica do filamento condutor piora. Os filamentos condutores posteriormente se rompem. O comportamento unipolar RS ocorre então. No entanto, a corrente LRS é menor para a corrente de conformidade Icc =100 uA. Mesmo que a tensão de reset aumente, o valor da corrente enfrenta dificuldade em atingir o nível da corrente na corrente de conformidade maior (Icc =1 mA e Icc =10 mA). O aquecimento Joule gerado não é suficiente para atingir a temperatura crítica. Assim, nenhum comportamento RS unipolar é observado. Se a tensão de reinicialização aumentar ainda mais, o dispositivo pode quebrar. Portanto, o comportamento unipolar RS é impulsionado pelo aquecimento Joule em AlO _x RRAM.

Para pesquisas futuras sobre a influência do aquecimento Joule no comportamento do RS, os dispositivos são colocados em diferentes temperaturas. Durante o processo definido, a corrente de conformidade Icc =10 mA é usada. As curvas I-V do comportamento bipolar são mostradas na Fig. 5a. É importante notar que o processo de reinicialização abrupta se transforma em um processo de reinicialização gradual com temperatura decrescente até 40 K. Comparado a 300 K e 340 K, o aquecimento Joule pode ser bem disperso a 40 K. O efeito do aquecimento Joule pode ser reduzido ao mínimo. Assim, o mecanismo eletroquímico desempenha um papel importante durante o processo de reinicialização no comportamento de comutação bipolar. O processo de reinicialização gradual é explicado por um filamento condutor parcialmente rompido. O dispositivo não pode ser redefinido para o estado inicial com a mesma tensão de redefinição. Este fenômeno também é observado em outros materiais de óxido metálico [23]. As Figuras 5b ec mostram a distribuição estatística da corrente operacional (HRS, LRS) e da tensão (SET, RESET) na comutação bipolar em diferentes temperaturas. Claramente, a corrente HRS diminui com o aumento da temperatura. Além disso, a tensão SET aumenta com o aumento da temperatura. Essas observações sugerem que o aquecimento Joule afeta a quebra dos filamentos condutores. Quando a temperatura é elevada, menos filamentos condutores permanecem no AlO _x camada de comutação resistiva durante o processo de reinicialização. Mais estados de isolamento de alta resistência são obtidos. A tensão SET obviamente aumenta. A corrente LRS aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura, o que corresponde ao transporte característico de um semicondutor. A Figura 5d mostra a característica I-V do comportamento unipolar em diferentes temperaturas. Comparado a 300 K e 340 K, o dispositivo não pode ser redefinido para o estado inicial em 40 K, que é devido à dissipação térmica. A temperatura dentro do filamento condutor não atinge a temperatura crítica. O filamento condutor não pode ser completamente rompido. O dispositivo não pode mudar para o LRS novamente na corrente de conformidade Icc =10 mA (a linha pontilhada azul). As Figuras 5e e f mostram a distribuição estatística da corrente de operação (HRS, LRS) e da tensão (SET, RESET) sob chaveamento unipolar em diferentes temperaturas. Da mesma forma, uma corrente HRS mais alta e uma tensão SET maior com o aumento da temperatura são observadas. Assim, o aquecimento Joule é considerado essencial para o comportamento unipolar do RS.

a As curvas I-V do comportamento bipolar em diferentes temperaturas (40 K (linha azul), 300 K (linha tracejada vermelha) e 340 K (linha verde)) com uma corrente de conformidade Icc =10 mA. b Resultado estatístico da corrente HRS e LRS para 20 ciclos de comutação bipolar em diferentes temperaturas (40 K, 300 K e 340 K). c Resultado estatístico da tensão SET e RESET para 20 ciclos de chaveamento bipolar em diferentes temperaturas (40 K, 300 K e 340 K). d As curvas I-V do comportamento unipolar em diferentes temperaturas (40 K (linha azul), 300 K (linha tracejada vermelha) e 340 K (linha verde)) com uma corrente de conformidade Icc =10 mA. A linha pontilhada azul indica o próximo processo de configuração após a operação de reinicialização. e Resultado estatístico da corrente HRS e LRS para 20 ciclos de comutação unipolar em diferentes temperaturas (300 K e 340 K). f Resultado estatístico da tensão SET e RESET para 20 ciclos de chaveamento unipolar em diferentes temperaturas (300 K e 340 K)

Para um melhor estudo do mecanismo de condução, estimamos preliminarmente o mecanismo de chaveamento ajustando a curva I-V. A curva I-V é re-plotada em um gráfico logarítmico duplo, como mostrado na Fig. 6a. O LRS apresenta um comportamento condutor ôhmico com inclinação próxima a 1, provavelmente causado pela formação de filamentos condutores [24]. O HRS pode ser dividido em duas regiões:na área de baixa tensão (<0,4 V, região 1), o comportamento de condução ôhmica é observado, enquanto na área de alta tensão (> 0,4 V, região 2), a inclinação é próximo a 2. O comportamento de transporte é consistente com a condução limitada de carga no espaço (SCLC) [25]. No modelo SCLC, a densidade de corrente J para emissões de SCLC controladas por armadilha pode ser descrito como
$$ {J} _ {\ mathrm {ohm}} =q {n} _0 \ mu \ frac {V} {d} $$$$ J =\ frac {9} {8} {\ varepsilon} _r {\ varepsilon} _0 \ mu \ theta \ left (\ frac {V ^ 2} {d ^ 3} \ right) $$

a Ajuste linear para as curvas I-V usando uma escala log-log na tendência positiva. b Dependência da temperatura da corrente para o HRS de 250 K a 340 K. c A energia de ativação E _α em diferentes tensões é resumido. A inserção mostra um gráfico de Arrhenius dos dados atuais de temperatura em diferentes tensões no HRS. d Dependência da temperatura da corrente para o LRS de 250 K a 340 K. e A relação de condutividade ln I versus temperatura T ^−1/4 . A tensão lida é 0,1 V. f A energia de ativação E _α =9,93 meV é calculado

onde q é a carga elementar, n ₀ são os portadores livres gerados termicamente, μ é a mobilidade do elétron, ε _r é a constante dielétrica estática, ε ₀ é a permissividade do espaço, θ é a razão entre a densidade do portador livre e a densidade total do portador, V é a tensão aplicada e d é a espessura do filme. Na região 1 (baixa tensão aplicada), correspondendo à lei de Ohm ( I ∝ V ¹ ), um pequeno número de portadores pode ser gerado devido à excitação térmica e excitado para a banda de condução da banda de valência ou do nível de impureza nesta região. Quando a tensão aplicada aumenta, as portadoras injetadas ficam presas. A condução torna-se limitada pela carga espacial. A corrente do HRS segue uma lei quadrada ( I ∝ V ² ) na região 2. A Figura 6b mostra a dependência da corrente HRS com a temperatura. A corrente aumenta com o aumento da temperatura, o que sugere um comportamento de condução semelhante a um semicondutor [26, 27]. A partir das inclinações dos gráficos do tipo Arrhenius dos dados (a inserção da Fig. 6c), a energia de ativação ( E _α ) de 0,01 V a 2 V é conforme resumido na Fig. 6c. Os resultados indicam que E _α é relativamente alto (~ 0,15 eV) na região de baixa tensão e mostra comportamento de condução ôhmica. Conforme a tensão aumenta, E _α diminui, que é uma característica do SCLC [28]. As análises I-V dependentes da temperatura apoiam claramente o mecanismo de condução do SCLC no HRS.

A Figura 6d mostra que a corrente do LRS aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura, mostrando um comportamento de condução semelhante a um semicondutor. Filamentos condutores de metal são excluídos. A Figura 6e mostra uma relação linear entre ln (I) e T ^−1/4 , o que sugere que o mecanismo do LRS obedece ao modelo de salto de alcance variável de Mott [29, 30]. Se os níveis de energia de dois estados localizados são próximos o suficiente e as funções de onda se sobrepõem, os elétrons podem saltar entre os dois locais, auxiliados pela energia térmica. O valor da energia de ativação E _α é 9,93 meV para o LRS, como mostrado na Fig. 6f, que é menor que 26 meV (a energia de ativação em temperatura ambiente). Este valor garante o salto variável dos elétrons à temperatura ambiente. Em outros semicondutores de óxido metálico, o mecanismo de salto também é observado no LRS, e o ajuste da curva I-V mostra o comportamento condutor ôhmico à temperatura ambiente [31]. Assim, o mecanismo de chaveamento resistivo no LRS está relacionado às vacâncias de oxigênio nos filamentos condutores.

A Figura 7 ilustra os modelos de chaveamento resistivo unipolar e bipolar. Para os comportamentos RS unipolares e bipolares no processo de conjunto, os íons de oxigênio migram em direção ao eletrodo superior sob um campo elétrico. Finalmente, os íons de oxigênio são reduzidos, deixando vagas de oxigênio no AlO _x camada de comutação resistiva. Um grande acúmulo de vacâncias de oxigênio forma filamentos condutores de oxigênio entre o ITO e as camadas de Al não oxidado. O dispositivo está definido para LRS. Os elétrons saltam através do filamento condutor composto de vacâncias de oxigênio, como mostrado nas Fig. 7 (a) e (c). Para o comportamento RS unipolar no processo de reset, a corrente de conformidade é removida. A polarização positiva é aplicada novamente e a corrente aumenta com o aumento da tensão. Quando o ponto mais alto de temperatura dentro do filamento condutor atinge a temperatura crítica, a estabilidade do filamento condutor piora e é facilmente rompida. O dispositivo muda para o HRS após a destruição do filamento condutor, conforme mostrado na Fig. 7 (b). No comportamento RS bipolar, uma polarização negativa é aplicada ao eletrodo superior. Os íons de oxigênio são extraídos de volta para o AlO _x camada de interface. Os filamentos condutores se rompem, conforme mostrado na Fig. 7 (d). O dispositivo é redefinido para o HRS. Quando a corrente de reset é relativamente maior, o aquecimento Joule aumenta o processo de ruptura do filamento condutor. Uma transição abrupta no processo de reinicialização aparece. O mecanismo de transporte de elétrons no HRS é dominado pelo mecanismo SCLC em ambos os comportamentos RS.

O esquema do mecanismo de comutação do AlO _x dispositivo RRAM baseado em ( a ) Defina o processo para comutação unipolar sob uma tensão positiva. Os filamentos condutores consistem em lacunas de oxigênio. As setas pretas indicam a direção da migração do elétron. ( b ) Processo de reset para chaveamento unipolar sob tensão positiva. O filamento condutor é rompido pelo aquecimento Joule. Os elétrons são presos por defeitos. O mecanismo condutor no HRS é dominado pelo SCLC. ( c ) Defina o processo para comutação bipolar sob uma tensão positiva. ( d ) Processo de reinicialização para comutação bipolar sob tensão negativa. Os filamentos condutores rompem

Conclusões

Neste artigo, a coexistência dos comportamentos de chaveamento resistivo unipolar e bipolar é observada em AlO _x RRAM baseado em Ao pesquisar as características de corrente-tensão da comutação unipolar e bipolar em diferentes correntes de conformidade e temperaturas de trabalho variáveis, propomos que o aquecimento Joule é essencial para o comportamento de comutação resistiva unipolar em AlO _x RRAM baseado em Quando uma alta corrente de programação flui através do filamento condutor no processo de reset, a temperatura local nos filamentos condutores atinge a temperatura crítica e os filamentos condutores se rompem. Ocorre comportamento unipolar de RS. No comportamento de chaveamento resistivo bipolar, o processo de reset é atribuído não apenas ao mecanismo eletroquímico, mas também ao aquecimento Joule. Térmico avisa a ruptura do filamento condutor quando o dispositivo tem uma alta corrente de apagamento, o que resulta em maior resistência do HRS e uma maior tensão de operação SET em AlO _x RRAM baseado em Assim, o aquecimento Joule é um fator não desprezível do desempenho do RS. Esses resultados nos ajudarão a compreender profundamente a influência do aquecimento Joule no comportamento de comutação resistiva em AlO _x RRAM baseado em Além disso, o mecanismo condutor é estudado. O mecanismo condutor para o LRS é devido aos elétrons saltando por caminhos condutores. Para o HRS, o mecanismo condutor é dominado pelo mecanismo SCLC.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados e materiais estão disponíveis sem restrições.

Abreviações

RS:: Comutação resistiva
SCLC:: Condução limitada por carga espacial
RRAM:: Memória de acesso aleatório com comutação resistiva
HRS:: Estado de alta resistência
LRS:: Estado de baixa resistência
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
HRTEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
EDX:: Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X

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