Поведение переключения сопротивления атомно-слойной пленки SrTiO3 за счет возможного образования фаз Sr2Ti6O13 или Sr1Ti11O20

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20550 (2016) Цитировать эту статью

2695 Доступов

15 цитат

Подробности о метриках

Идентификация микроструктурной эволюции наноразмерной проводящей фазы, такой как проводящая нить (CF), во многих устройствах переключения сопротивления (RS) является решающим фактором для однозначного понимания электрического поведения электронных устройств на основе RS. Среди разнообразных систем материалов RS окислительно-восстановительная система на основе оксидов составляет основную категорию этих интересных электронных устройств, в которых локальные, как вдоль латерального, так и вертикального направления тонких пленок, изменения в химии кислорода, как предполагается, являются основным механизмом RS. Однако существуют системы, которые включают в себя различные кристаллографические фазы, такие как CF; Фаза Магнели в TiO2 является одним из очень известных примеров. Текущие исследования сообщают о возможном наличии характерной локальной проводящей фазы в тонкой пленке RS SrTiO3, нанесенной атомным слоем. Проводящая фаза была идентифицирована с помощью обширных исследований просвечивающей электронной микроскопии, которые показали, что фаза Sr2Ti6O13 или Sr1Ti11O20 с дефицитом кислорода предположительно присутствует в основном вдоль границ зерен SrTiO3 после переключения униполярного набора в структуре Pt/TiN/SrTiO3/Pt. Детальная электрическая характеристика показала, что образцы демонстрировали типичный биполярный и комплементарный RS после того, как ячейка памяти была перезагружена в униполярном режиме.

Устройство оксидного переключателя сопротивления (RS) на основе окислительно-восстановительного потенциала можно рассматривать как основную категорию интригующего и футуристического электронного запоминающего устройства, которое называется запоминающим устройством с произвольным доступом с переключением сопротивления (RRAM). Поскольку существует большое количество разнообразных оксидных систем с разнообразными и сложными окислительно-восстановительными реакциями, подробные электрические характеристики RRAM на основе оксидов во многом зависят от составляющих материалов, электродов и процессов изготовления1,2,3,4,5. Из-за слишком большого такого разнообразия по сравнению с довольно суженной системой материалов для памяти с фазовым изменением (сплавы Ge-Sb-Te) как в научных кругах, так и в промышленности продолжаются очень активные исследования RRAM. Однако такое разнообразие также создало определенные проблемы при выборе лучшего выбора для коммерциализации RRAM. В целом материалы RS на основе оксидов можно разделить на две группы: одна содержит отличительную кристаллографическую фазу в качестве локально проводящей фазы, а другая не содержит такой фазы. Типичным примером первого является TiO2, где материалы фазы Магнели, которую можно представить общей формулой TinO2n-1 (n = 2, 3, 4…), образуют проводящую нить (CF) и униполярное сопротивление переключения ( URS) пленки TiO2 можно хорошо понять по повторяющемуся (термическому) разрыву и (под действием поля) омоложению Magnéli CF, соединяющего верхний и нижний электроды6. В биполярном RS (BRS) TiO2 окислительно-восстановительная реакция, опосредованная миграцией кислорода (вакансий) под действием электрического поля в области разрыва CF Магнели, хорошо объясняет детальное электрическое поведение RS7. Напротив, HfO2 представляет собой вторую группу материалов RS на основе оксидов, в которой в системе материалов отсутствует характерная кристаллографическая фаза, которая может образовывать локальные CF. В этом случае окислительно-восстановительная реакция, опосредованная кислородными вакансиями (VO), хорошо объясняет наблюдаемую BRS, что также объясняет общую трудность наблюдения URS в этих материальных системах8. Недавняя работа Wang et al. обнаружили, что омическая проводимость в состоянии низкого сопротивления (LRS) в ячейке RS HfO2 связана с полупроводниковыми CF, что указывает на отсутствие отличительной второй фазы, которая могла бы быть металлической проводимостью в этой системе9. Возможность точной настройки проводимости в процессе изготовления, а также электрическая работа в этих материальных системах, поскольку у них отсутствует отличительная проводящая фаза, делает их предпочтительными. Тем не менее, случайное переключение этих проводящих фаз путем добавления или устранения точечных дефектов может вызвать другие критические проблемы, такие как значительные проблемы со случайным телеграфным шумом.