Troca de limite do seletor Ag-Ga2Te3 com alta resistência para aplicações em matrizes de ponto cruzado

Resumo

A troca de limiar em calcogenetos atraiu considerável atenção por causa de sua aplicação potencial em estruturas de matriz de ponto cruzado empilháveis tridimensionais e de alta densidade. No entanto, apesar de suas excelentes características de comutação de limiar, as características de seletividade e resistência de tais seletores devem ser melhoradas para aplicação prática. Neste estudo, o efeito de Ag no comportamento de comutação de limiar de um Ga ₂ Te ₃ seletor foi investigado em termos de seletividade e resistência. O Ag-Ga ₂ Te ₃ o seletor exibiu uma alta seletividade de 10 ⁸ com baixa corrente de estado desligado de <100 fA, inclinação acentuada de ativação de 0,19 mV / dec e alta resistência de 10 ⁹ ciclos. A resposta transiente foi verificada para depender da tensão de entrada do pulso e da temperatura de medição. Considerando suas excelentes características de comutação de limite, o Ag-Ga ₂ Te ₃ selector é um candidato promissor para aplicações em estruturas de array de ponto cruzado.

Introdução

A memória de acesso aleatório resistiva foi investigada como um candidato promissor para a memória não volátil de próxima geração, devido à sua operação simples, baixo consumo de energia, potencial empilhável tridimensional (3D), escalabilidade e estrutura simples [1,2,3, 4]. No entanto, a corrente de fuga que passa pelas células adjacentes deve ser reduzida para evitar a falha de operação potencial que pode ocorrer em estruturas 3D cross-point array (CPA) com alta densidade celular [5, 6]. Dispositivos seletores de dois terminais com baixas correntes de estado desligado e altas relações liga / desliga são favorecidos para resolver esses problemas de correntes furtivas [7, 8].

Vários tipos de dispositivos seletores com características de comutação de limite (TS) foram propostos anteriormente, incluindo interruptor de limite ovônico (OTS) [9], transição metal-isolador (MIT) [10], interruptor de limite superlinear assistido por campo (FAST) [11], metalização eletroquímica (ECM) [12] e condução mista-iônica-eletrônica (MIEC) [13]. No entanto, a seletividade e a corrente de fuga dos seletores OTS e MIT devem ser melhoradas para aplicações práticas [9, 10]; a natureza dos materiais usados para os seletores FAST não é conhecida [11]. Enquanto isso, dispositivos ECM e MIEC com Ag ou Cu atraíram considerável atenção por causa de suas características de TS desejáveis, incluindo sua baixa corrente de fuga, alta relação liga / desliga, inclinação acentuada de ativação e grande histerese entre a tensão de limiar ( V _TH ) e reter a tensão ( V _Espera ) [14,15,16]. Em uma estrutura de resistor um-seletor-um (1S1R), a janela de tensão para a operação de leitura é determinada pela tensão definida ( V _Conjunto ) da memória e V _TH do seletor. Porque V _Conjunto varia de acordo com os materiais usados para o dispositivo de memória, a modulação de V _TH é necessário para facilitar a operação de um dispositivo 1S1R [17]. Além disso, a grande diferença entre V _TH e V _Espera pode aliviar a complexidade operacional de uma estrutura de CPA e relaxar os rigorosos requisitos de casamento de tensão [18, 19].

O mecanismo de comutação de tais dispositivos seletores usando um metal ativo, como Ag ou Cu, é baseado na formação e dissolução do canal de condução metálico. Portanto, a matriz do material eletrolítico afeta significativamente a migração do metal ativo e a velocidade de comutação do seletor. A velocidade de comutação de um seletor baseado em um eletrólito à base de óxido é geralmente mais lenta do que a ordem de microssegundos [20,21,22], que é relativamente lenta quando comparada com a de dispositivos seletores OTS [23] ou MIT relatados anteriormente [24] ] Enquanto isso, defeitos em filmes de calcogeneto, como o Te não ligado (NBT), podem diminuir a energia de ativação para a migração de íons metálicos ativos; portanto, os materiais calcogenetos são preferíveis para a migração rápida de íons metálicos ativos [18]. No entanto, devido ao seu canal de condução metálico formado aleatoriamente, esses materiais apresentam desvantagens em termos de sua característica de resistência à chaveamento, que é um fator crucial para os seletores [14, 18, 25]. A durabilidade de um dispositivo ECM pode ser melhorada em 10 ³ a 10 ⁶ ciclos usando uma camada intermediária de buffer [26]. No entanto, melhorias adicionais de resistência são necessárias para aplicações práticas de tais dispositivos em estruturas de CPA [5].

Neste estudo, um Ga ₂ amorfo altamente defeituoso Te ₃ foi usado como uma camada de comutação inserindo uma camada Ag para investigar as características de TS em termos de uma baixa corrente de fuga (corrente desligada), alta seletividade, modulação de V _TH e V _Espera , e alta resistência. Amorfo Ga ₂ Te ₃ é vantajoso como um material eletrolítico porque existem vários NBTs que reduzem a energia de ativação da migração de Ag e vacância de Ga, que atua como um local de migração para Ag em Ga amorfo ₂ Te ₃ filmes [27,28,29].

Métodos

Dispositivos seletores de TiN / Ag / Ga ₂ Te ₃ / Pilhas de TiN foram fabricadas com uma estrutura de orifício de passagem para investigar suas características de TS, conforme ilustrado na Figura 1a. Primeiro, plugues TiN com um tamanho de 0,42 μm × 0,42 μm foram formados como eletrodos de fundo (BEs). Ga ₂ Te ₃ filmes finos com espessuras de 40 nm foram depositados através de co-sputtering magnetron RF usando Ga ₂ Alvos Te e Te. Posteriormente, um filme Ag com uma espessura de 10 nm foi depositado em Ga ₂ Te ₃ filmes através da pulverização catódica DC. Finalmente, um eletrodo de topo TiN (TE) foi formado usando pulverização catódica DC magnetron e um método lift-off.

a Esquema do Ag / Ga ₂ Te ₃ dispositivos seletores. b Imagem TEM em corte transversal do TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ / Dispositivo seletor TiN

As propriedades elétricas foram investigadas usando um analisador Keysight B1500A a 298 K. Os testes de comutação DC foram conduzidos com uma corrente de conformidade ( I _comp ) para evitar o colapso total dos dispositivos TS. Além disso, AC I - V as medições foram realizadas com uma resistência de carga externa de 1 MΩ para evitar a quebra dos dispositivos. A microestrutura do dispositivo foi investigada usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM; JEOL FEM-F200), conforme mostrado na Fig. 1b. As amostras de seção transversal de dispositivos TEM foram preparadas usando um sistema de feixe de íons focalizado. A distribuição atômica de Ag no Ga ₂ Te ₃ o filme foi investigado usando medições de espectroscopia dispersiva de energia TEM (EDS).

Resultados e discussão

A Figura 2a mostra uma imagem TEM em corte transversal do TiN / Ag-Ga original ₂ Te ₃ / TiN pilha de um dispositivo seletor. A camada intermediária de Ag com uma espessura de 10 nm não foi observada no topo do Ga ₂ Te ₃ filme fino. A Figura 2b apresenta o mapeamento EDS dos elementos Ga, Te, Ag e Ti para a região retangular vermelha marcada na Fig. 2a. As imagens de mapeamento EDS mostram que Ag é uniformemente distribuído no Ga ₂ Te ₃ filme, embora um processo de co-sputtering de Ag não foi aplicado. O homogêneo Ag-Ga ₂ Te ₃ o filme pode ter sido formado provavelmente por causa da difusão de Ag durante a formação da pilha. Tal homogeneização rápida de Ag também foi relatada para os filmes GeTe [30,31,32]. Ag pode se difundir no Ga ₂ Te ₃ filme fino devido a defeitos, como vacâncias de NBT e Ga no Ga ₂ Te ₃ filmes finos [18, 27,28,29].

a Imagem TEM em corte transversal do TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ / Estrutura do dispositivo TiN. b TEM – EDS imagens de mapeamento de Ga, Te, Ag e Ti para a região retangular vermelha marcada em a

A Figura 3a mostra as características de corrente − tensão (I − V) do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivos com uma área de eletrodo inferior de 0,42 µm × 0,42 µm para 100 ciclos consecutivos de varreduras DC. O dispositivo apresentou características TS sem um processo de conformação. Quando a tensão em TE varreu de 0 para 1,5 V, a corrente de condução aumentou abruptamente no V _TH ≈ 0,87 V para I _comp que foi definido como 1 µA, o que indicava que o dispositivo mudou de um estado de alta resistência (HRS) para um estado de baixa resistência (LRS). O dispositivo relaxou de volta para o HRS em V _Espera ≈ 0,12 V quando a tensão foi reduzida de 1,5 para 0 V, demonstrando uma diferença considerável entre V _TH e V _Espera . A corrente do estado desligado em V _TH foi medido como sendo inferior a 100 fA, o que corresponde a um dos valores mais baixos quando comparado aos seletores baseados em calcogeneto relatados anteriormente usando metais ativos como Ag ou Cu [14, 18, 25, 30, 33]. A seletividade, que é definida como a relação entre a corrente no estado ligado e a corrente no estado desligado, foi de aproximadamente 10 ⁸ . Como mostrado na Fig. 3b, as curvas I − V mostraram características de TS estáveis para vários I _comp valores que variam de 10 nA a 10 µA, indicando sua flexibilidade na corrente de operação. O TS livre de formação com uma grande diferença entre V _TH e V _Espera do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivos seletores são nitidamente favoráveis sobre as características de TS do Ga ₂ Te ₃ - apenas dispositivos seletores OTS [34]. Como o processo de formação é considerado um obstáculo potencial para aplicações de dispositivos reais, as características livres de formação do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo são mais favoráveis do que dispositivo seletor, que requer um processo de formação [35]. Além disso, a característica TS com uma grande histerese do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor pode diminuir a complexidade operacional da estrutura do CPA e facilitar os rigorosos requisitos de correspondência de tensão [18, 19]. Além disso, o Ag-Ga ₂ Te ₃ O seletor mostra uma inclinação acentuada de 0,19 mV / dec com uma taxa de varredura de 1,5 mV por etapa de medição, conforme mostrado na Fig. 3c. O Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor demonstrou excelentes características, incluindo sua alta seletividade (10 ⁸ ), baixa corrente de estado desligado (<100 fA), inclinação acentuada de ativação (0,19 mV / dec) e características livres de formação.

a eu - V características do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor para resultados de varredura de tensão DC durante 100 ciclos consecutivos. O Ag-Ga ₂ Te ₃ o dispositivo seletor mostra corrente de fuga significativamente baixa (<100 fA) com uma relação liga / desliga de 10 ⁸ . b Características de TS do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor baseado em vários I _comp valores de 10 nA a 10 μA. c Vista de perto do I - V curva em TS que mostra uma inclinação de ativação de 0,19 mV / dec

Como a variação no desempenho do dispositivo é um fator crucial para a aplicação de um seletor a uma estrutura CPA, as distribuições de V _TH , V _Espera , resistência do estado de alta resistência ( R _HRS ), e resistência do estado de baixa resistência ( R _LRS ) foram investigados para 25 dispositivos aleatórios. A Figura 4a mostra que a distribuição da tensão de limiar variou de 0,75 a 1,08 V, enquanto a distribuição de tensão de retenção variou de 0,06 a 0,375 V. Além disso, a distribuição de resistência no HRS variou de 10 ¹¹ a 10 ¹⁴ Ω, enquanto a resistência no LRS era de aproximadamente 10 ⁶ Ω, conforme mostrado na Fig. 4b. Devido à formação do canal de condução de metal, os dispositivos seletores que usam metais ativos como Ag ou Cu exibem características de variação relativamente ampla [36, 37]. Consequentemente, estudos sobre como melhorar a confiabilidade dessas características por meio de dopagem ou inserção de camada tampão foram relatados [37, 38].

a Variações de dispositivo para dispositivo de V _TH e V _Espera para 25 dispositivos. b Variações de dispositivo a dispositivo de R _HRS e R _LRS para 25 dispositivos

Para investigar a resposta transitória do Ag-Ga ₂ Te ₃ seletor, a corrente foi medida usando uma unidade de medição rápida do gerador de forma de onda (WGFMU) durante um pulso de tensão com uma altura de 3 V, tempo de subida e descida de 100 ns e duração de 1,5 μs com uma resistência de carga externa de 1 MΩ, como mostrado na Figura 5a. A corrente de condução do Ag-Ga ₂ Te ₃ O dispositivo seletor atingiu seu valor de pico após 406 ns a partir do ponto em que a tensão atingiu seu máximo de 3 V. Além disso, o dispositivo foi colocado no estado desligado dentro de 605 ns após a tensão aplicada ter sido removida. Conseqüentemente, o tempo de ativação e desativação do Ag-Ga ₂ Te ₃ seletor foram estimados em aproximadamente 400 ns e 600 ns, respectivamente. A mudança lenta do Ag-Ga ₂ Te ₃ O seletor pode ser atribuído às reações de migração e redox do Ag para a formação do canal de condução. Além disso, a influência da tensão aplicada e da temperatura de medição no tempo de comutação foi investigada com uma tensão de entrada de 1,5−5 V e a uma temperatura de medição de 298−375 K. O tempo de ativação foi diminuído de 1 μs para 294 ns, enquanto o tempo de desligamento foi aumentado de 400 ns para 849 ns conforme a tensão de pulso foi aumentada de 1,5 para 3,5 V, como mostrado na Fig. 5b. A dependência da velocidade de chaveamento na tensão aplicada é comparável aos resultados anteriormente relatados da camada Ag em HfO ₂ e TiO ₂ [39]. Além disso, a Fig. 5c mostra que os tempos de ativação e desativação diminuíram com o aumento da temperatura de medição. De acordo com o gráfico de Arrhenius da velocidade de comutação em relação à temperatura de medição mostrado na Fig. 5d, a dependência exponencial da velocidade de comutação na temperatura de medição pode ser atribuída a processos facilitados termicamente, como a difusão de átomos de Ag na matriz de filme de eletrólito [40]. As energias de ativação para ligar e desligar foram estimadas em 0,50 eV e 0,40 eV, respectivamente, que são comparáveis às apresentadas em um relatório anterior em um dispositivo baseado em filamento de Ag [41]. Foi relatado que os canais condutores de Ag foram formados sob polarização elétrica em HfO ₂ , SiO ₂ e TiO ₂ [15, 42, 43]. No entanto, neste estudo, Ag foi observado para ser uniformemente distribuído em Ga ₂ prístino Te ₃ filmes. Embora o mecanismo para TS em Ga ₂ Te ₃ filmes com distribuição uniforme de Ag não são claramente compreendidos, Ag pode estar relacionado à formação de canais condutores em Ga ₂ Te ₃ filmes sob polarização elétrica. Portanto, a dependência da velocidade de chaveamento da tensão de entrada e da temperatura de medição do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor pode ser atribuído à formação dos canais condutores.

a AC eu - V medição do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor (condições de medição:tempo de subida =100 ns, duração =1,5 μs, tempo de queda =100 ns e tensão de entrada =3 V). b Dependência da velocidade de comutação na tensão de pulso aplicada. c Dependência da velocidade de comutação na temperatura de medição. d Gráfico de Arrhenius da velocidade de comutação em relação à temperatura de medição

A característica de resistência CA foi investigada sob a mesma condição de pulso de tensão do teste de velocidade de chaveamento. As tensões de leitura para o HRS e LRS foram 0,5 e 3 V, respectivamente. As resistências medidas do HRS e LRS foram traçadas para 450 pontos por década, como mostrado na Fig. 6. O Ag-Ga ₂ Te ₃ o dispositivo seletor exibiu características de resistência estáveis até 10 ⁹ ciclos mantendo uma seletividade de 10 ⁸ , demonstrando assim excelentes características de resistência de comutação quando comparadas com aquelas de outros seletores que utilizaram calcogeneto e metais ativos [18, 25, 30].

Características de resistência AC do Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor de até 10 ⁹ ciclos (tensões de leitura de 0,5 V e 3 V para R _HRS e R _LRS , respectivamente)

Conclusões

Neste estudo, demonstramos as características estáveis de TS de um dispositivo seletor fabricado usando Ag com alta mobilidade de íons e Ga amorfo altamente defeituoso ₂ Te ₃ como uma camada de comutação. Análises de TEM do TiN / Ag-Ga ₂ Te ₃ / A estrutura TiN mostrou que a camada intermediária de Ag incorporada foi completamente difundida no Ga ₂ Te ₃ filme para produzir distribuição uniforme de Ag no Ga ₂ Te ₃ camada. Isso pode ser devido à estrutura altamente defeituosa do Ga ₂ amorfo Te ₃ durante a deposição subsequente de TE TiN. O Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo seletor exibiu TS livre de formação, uma grande histerese (1 V), alta seletividade (10 ⁸ ), baixa corrente de estado desligado (<100 fA), inclinação acentuada de ativação (0,19 mV / dec) e características de resistência excelentes (10 ⁹ ciclos). Além disso, as medições AC I − V mostraram que a velocidade de comutação era da ordem de centenas de nanossegundos. A dependência da velocidade de comutação na tensão de pulso pode ser o efeito combinado da migração Ag e da reação redox. Além disso, o comportamento de Arrhenius da velocidade de chaveamento com base na temperatura de medição sugere que o TS está relacionado a um processo termicamente facilitado. Em conclusão, o Ag-Ga ₂ Te ₃ dispositivo com o excelente TS e características de resistência é um candidato promissor para seletor nas aplicações de memória CPA.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

3D:: Tridimensional
CPA:: Matriz de ponto cruzado
TS:: Troca de limite
OTS:: Interruptor de limiar ovônico
MIT:: Transição metal-isolante
RÁPIDO:: Interruptor de limite superlinear assistido por campo
ECM:: Metalização eletroquímica
MIEC:: Condução mista-iônico-eletrônica
V _TH :: Tensão de limiar
V _Espera :: Tensão de espera
1S1R:: Um seletor - um resistor
V _conjunto :: Definir tensão
NBT:: Te não ligado
TE:: Eletrodo superior
BE:: Eletrodo inferior
I _comp :: Conformidade atual
HRS:: Estado de alta resistência
LRS:: Estado de baixa resistência
R _HRS :: Resistência do estado de alta resistência
R _LRS :: Resistência do estado de baixa resistência

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