Effet du chauffage par effet Joule sur la caractéristique de commutation résistive dans les cellules AlOx produites par formation d'oxydation thermique

Contexte

La mémoire à accès aléatoire à commutation résistive (RRAM) a attiré beaucoup d'attention comme l'un des candidats les plus prometteurs pour la mémoire non volatile de nouvelle génération [1,2,3,4]. Comparé à la mémoire flash traditionnelle commercialisée et à d'autres mémoires non volatiles émergentes, le dispositif RRAM a une structure simple (MIM), une vitesse d'écriture/effacement rapide et d'excellentes performances d'endurance et de rétention [5,6,7,8]. En tant que l'un des matériaux de commutation résistifs compatibles avec la technologie conventionnelle des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire, AlO_x La RRAM basée sur la RRAM a également été largement étudiée, ayant un potentiel d'application plus attrayant en raison de sa capacité de stockage à plusieurs niveaux et de son auto-rectification [9, 10]. Généralement, deux types de commutation sont observés dans les dispositifs à oxyde métallique :(1) la commutation unipolaire, qui ne dépend pas de la polarité de la tension appliquée et (2) la commutation bipolaire, qui repose sur la polarité de la tension appliquée. Leurs mécanismes de commutation inhérents sont différents. De nombreux facteurs peuvent affecter le type de commutation résistive, tels que la structure du dispositif, les matériaux des électrodes et le courant de programmation [11]. La coexistence de commutations unipolaires et bipolaires a été signalée dans certains matériaux à base d'oxyde métallique, tels que HfO₂ , NiO et ZnO [12,13,14,15,16]. Le comportement de commutation résistive bipolaire (RS) est lié à la formation/rupture de filaments conducteurs composés de lacunes d'oxygène. Le comportement unipolaire de RS est souvent dû à un filament conducteur de dommages thermiques ou à une transition de structure de phase. Le comportement RS bipolaire est généralement observé dans AlO_x basée sur la RRAM. La coexistence de comportements unipolaires et bipolaires dans AlO_x La RRAM a rarement été rapportée et le mécanisme de commutation physique dans le comportement RS unipolaire n'a toujours pas été clarifié.

Dans cet article, nous rapportons la coexistence des comportements RS unipolaire et bipolaire dans AlO_x basée sur la RRAM. En étudiant les caractéristiques de commutation résistive de la commutation unipolaire et bipolaire pour différents courants de conformité, le chauffage Joule est utilisé pour expliquer la rupture des filaments conducteurs dans le processus de réinitialisation du comportement RS unipolaire. Lorsque la température locale à l'intérieur des filaments conducteurs atteint la température critique, les filaments conducteurs sont rompus et le comportement RS unipolaire se produit. De plus, l'utilisation du chauffage Joule pour aider à rompre les filaments conducteurs dans le processus de réinitialisation est proposée pour le comportement RS bipolaire. L'effet du chauffage Joule est bien vérifié en plaçant l'appareil à différentes températures. Pendant ce temps, l'effet de performance à différentes températures pour AlO_x La RRAM est également étudiée. La stabilité et la contrôlabilité du comportement RS sont essentielles pour l'application future des matrices RRAM. Une compréhension plus approfondie de l'effet du chauffage Joule dans le processus de commutation résistive est importante et nécessaire. De plus, nous étudions le mécanisme conducteur par la dépendance à la température du courant pour l'état à haute résistance (HRS) et l'état à faible résistance (LRS).

Méthodes

Les dispositifs de mémoire à commutation résistive basés sur AlO_x sont fabriqués par le procédé suivant. Le diagramme schématique est illustré à la Fig. 1(a)–(d). L'Al et le Pt sont pulvérisés sur la surface du substrat de verre ITO en séquence avec un masque perforé pour former des taches circulaires d'un diamètre de 200 µm. La couche de Pt recouvrant l'Al peut être utilisée pour éviter l'oxydation de la surface de l'Al pendant le processus de recuit suivant. L'appareil est recuit à 400 °C pendant 4 h sous vide. Un échantillon non recuit est utilisé comme référence. La photographie au microscope électronique à balayage (MEB) en coupe transversale révèle la structure de l'appareil. Une structure à trois couches du dispositif Pt/Al/ITO recuit est représentée dans l'encart de la figure 1(e). La couche supérieure est une électrode en Pt (~ 66 nm). La couche intermédiaire est une couche d'Al recuit (~ 256 nm). La couche inférieure est une électrode ITO (~ 161 nm). La microstructure de l'appareil est analysée par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM). La distribution des éléments est obtenue en utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) sur le même équipement. Le test I-V est effectué à l'aide de l'analyseur de paramètres à semi-conducteur Agilent B1500A en mode balayage continu à température ambiante. La dépendance à la température de la caractéristique I-V est détectée dans le système Lake Shore CRX-4K sous un vide de 5 × 10 ⁻⁵ Torr.

Un schéma de principe du processus de fabrication. (un ) ITO/substrat en verre. (b ) Dépôt de l'électrode Al par pulvérisation cathodique. (c ) Pt recouvrant l'électrode Al. (d ) Formation de l'AlO_x couche d'interface par recuit à 400°C sous vide. (e ) Image SEM du dispositif Pt/Al/ITO recuit. Les épaisseurs du Pt, de l'Al et de l'ITO sont respectivement d'environ 66 nm, 256 nm et 161 nm

Résultats et discussion

Pour vérifier les changements de microstructure après le recuit des dispositifs Pt/Al/ITO, HRTEM est utilisé pour vérifier la région entre les substrats de verre Al et ITO. Les figures 2a et b montrent respectivement les échantillons non recuits et recuits. Par rapport à l'échantillon non recuit, une couche d'interface évidente se trouve dans l'échantillon recuit après 4 h. L'épaisseur de la couche d'interface est de ~ 20 nm. Les spectres EDX sont utilisés pour identifier la distribution des éléments entre Al et ITO, comme le montre la figure 2c. Une diffusion évidente d'atomes d'oxygène s'est produite à l'interface de l'interface Al/ITO pendant le processus de recuit. Les autres éléments (In, Sn) ne présentent pas de diffusion significative dans les spectres EDX. Comparé à d'autres métaux, Al a une énergie libre de Gibbs standard inférieure (− 1582,9 KJ/mol) pour former les oxydes métalliques correspondants [17]. On en déduit que l'interface AlO_x couche formée pendant le processus de recuit.

un Image HRTEM en coupe du Pt/Al/ITO non recuit. b Image HRTEM en coupe de l'échantillon recuit après 4 h. Une couche d'interface est formée. c Les spectres de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) de cinq éléments (Al, O, In, Sn et Si)

La figure 3a montre la caractéristique courant-tension (I-V) de l'échantillon non recuit. Aucun comportement de commutation résistive n'est observé, ce qui est cohérent avec les résultats TEM non recuits. Pas d'AlO_x une couche de commutation résistive est formée. L'encart montre un diagramme schématique de la mesure électrique. Pendant la mesure I-V, la tension est appliquée à l'électrode supérieure (Pt) et l'électrode inférieure (ITO) est mise à la terre. Les dispositifs recuits sont également mesurés dans les mêmes conditions. Le dispositif recuit montre la coexistence des comportements RS unipolaire et bipolaire. Les deux comportements RS peuvent être activés indépendamment. La figure 3b montre des courbes de balayage à 50 cycles du comportement RS unipolaire. Le courant de conformité est réglé sur 10 mA pour éviter une panne brutale des appareils pendant le processus de réglage. Les flèches indiquent le sens de balayage de la tension. Un balayage de tension positif (0 V → 3,5 V) est appliqué à l'électrode Pt. L'appareil passe d'un état de résistance élevée à un état de résistance faible (processus défini ou processus de programmation). Ensuite, un autre balayage de tension (0 V → 1 V) provoque une réduction brutale du courant avec le courant de conformité supprimé. L'appareil passe au HRS (processus de réinitialisation ou processus d'effacement). Aucune tension de formation plus importante n'est nécessaire pour activer le dispositif. L'encart affiche les caractéristiques d'endurance à 80 cycles et le rapport de R _sur /R _désactivé est d'environ 10 ³ en utilisant une tension de lecture de 0,1 V. La figure 3c montre le comportement RS bipolaire. Le comportement RS est observé dans la polarité de tension opposée. Les tensions de balayage définies et réinitialisées suivent la séquence 0 V → +3,4 V → 0 V → − 2,5 V → 0 V. L'appareil passe du HRS au LRS lorsqu'une tension de polarisation positive est appliquée à l'électrode supérieure Pt. Ensuite, il est rebasculé vers le HRS sous une tension de polarisation négative. Semblable au cas unipolaire, aucun processus d'électroformage évident n'est observé. L'encart montre les caractéristiques d'endurance pour 150 cycles. Le rapport de R _sur /R _désactivé est d'environ 10 ³ en utilisant une tension de lecture de 0,1  V.

un La courbe I-V pour le dispositif Pt/Al/ITO non recuit. L'encart montre un diagramme schématique de la mesure électrique. L'électrode supérieure Pt est la tension de polarisation appliquée et l'ITO est mis à la terre. b La courbe I-V à 50 cycles pour la commutation unipolaire (recuite pendant 4 h). La ligne pointillée indique le courant de conformité Icc =10 mA. La ligne rouge indique le premier processus de réglage et le processus de réinitialisation. Les flèches indiquent le sens de balayage de la tension. La tension de lecture est réglée sur 0,1 V. L'encart montre la caractéristique d'endurance. c La courbe I-V à 50 cycles pour la commutation bipolaire (recuite pendant 4 h). L'encart montre les caractéristiques d'endurance. La tension de lecture est réglée sur 0,1 V

Généralement, le comportement RS bipolaire est souvent observé dans AlO_x -périphériques RRAM basés. Le mécanisme de commutation bipolaire est dû à la formation/rupture de filaments conducteurs composés de lacunes d'oxygène [11, 16]. Lorsqu'une tension positive est appliquée à l'électrode supérieure, les ions oxygène (O ²⁻ ) migrent vers l'électrode supérieure, laissant des lacunes d'oxygène. Des lacunes d'oxygène sont accumulées pour former les filaments conducteurs. L'appareil passe au LRS. Lorsqu'une tension négative est appliquée à l'électrode supérieure, les ions oxygène sont extraits vers AlO_x et les filaments conducteurs se rompent. Le mécanisme de commutation bipolaire est lié au mécanisme électrochimique. Cependant, le processus de réglage et le processus de réinitialisation se produisent avec la même polarité de tension pour le comportement de commutation unipolaire. La commutation résistive unipolaire est déclenchée par un claquage thermique du filament conducteur. Le mécanisme de commutation est expliqué par un mécanisme thermique dans d'autres dispositifs RRAM [16]. Pour vérifier que le chauffage Joule tient compte du comportement de commutation unipolaire dans AlO_x RRAM, un courant de conformité différent est utilisé pour contrôler le flux de courant à travers l'appareil.

La figure 4a montre la caractéristique I-V du comportement de commutation bipolaire pour différents courants de conformité. La résistance du filament conducteur peut être contrôlée par le courant de conformité de réglage. Une résistance plus faible du LRS (Icc =10 mA, R_LRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, R_LRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, R_LRS ~ 8 KΩ) peut être obtenu en augmentant le courant de conformité. La résistance dans le LRS (R _LRS ) varie de dizaines d'ohms à des milliers d'ohms sous différents courants de conformité. Les différents R _LRS les valeurs sont liées à la formation de différentes tailles de filaments conducteurs sous différents courants de compliance. Le chauffage par effet Joule diminue avec la diminution de la taille du filament [18]. Notamment, lorsque le courant de conformité Icc =100 uA et Icc =1 mA, un processus de réinitialisation progressif est observé pendant le processus de réinitialisation dans le comportement RS bipolaire, qui est différent de la réinitialisation brutale à Icc =10 mA. La réinitialisation progressive s'explique par la rupture progressive du filament conducteur [19]. La réinitialisation brutale est liée à la rupture de l'assistance de chauffage Joule [20]. L'influence du chauffage Joule sur le comportement du RS bipolaire se reflète dans le processus de réinitialisation brutale. Le comportement RS bipolaire peut être considéré comme une combinaison d'un mécanisme électrochimique et d'un chauffage Joule à des courants de programmation élevés [13, 21].

un Les courbes I-V du bipolaire à différents courants de compliance :Icc =10 mA (ligne pointillée), Icc =1 mA (ligne bleue) et Icc =100 uA (ligne verte). La résistance LRS à différents courants de conformité à la lecture 0,1 V (Icc =10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc =1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc =100 uA, RLRS ~ 8 KΩ). b Les courbes I-V du comportement unipolaire à différents courants de conformité :Icc =10 mA (ligne pointillée), Icc =1 mA (ligne bleue) et Icc =100 uA (ligne noire)

La figure 4b montre les caractéristiques unipolaires sous différents courants de conformité (Icc =10 mA, Icc =1 mA et Icc =100 uA). La commutation unipolaire n'est observée qu'à un courant de conformité Icc =10 mA et 1 mA. Par rapport à la tension de réinitialisation du courant de conformité Icc =10 mA dans 1 V, la tension de réinitialisation (Icc =1 mA) est évidemment augmentée au-dessus de 1,5 V et le courant de réinitialisation diminue d'environ deux ordres de grandeur (~ 724 uA) après la opération de réinitialisation. La valeur actuelle après le processus de réinitialisation se rapproche du courant de conformité. L'appareil ne peut pas revenir à l'état initial (~ 100 KΩ). Russo et al. proposé la température critique (T _critique ) pour le processus de réinitialisation unipolaire dans le modèle de dissolution thermique auto-accélérée [22]. Lorsque la température à l'intérieur du filament conducteur atteint la valeur critique sous une tension de réinitialisation appliquée entre les deux électrodes, le filament conducteur est dissous et rompu dans l'état de réinitialisation. La relation fonctionnelle entre la température critique, la tension, le courant et la résistance peut être décrite comme suit :

T ₀ est la température ambiante, R _ème est la résistance thermique effective du filament conducteur, qui a une plus faible dépendance de la taille, et la puissance électrique peut être écrite sous la forme P _{réinitialiser} = V _{réinitialiser} · Je _{réinitialiser} . Pour le courant de conformité inférieur Icc =1 mA, une tension de réinitialisation plus élevée est nécessaire. Lorsque le point le plus chaud du filament conducteur atteint la température critique, la stabilité thermique du filament conducteur se détériore. Les filaments conducteurs se rompent ensuite. Le comportement RS unipolaire se produit alors. Cependant, le courant LRS est plus faible pour le courant de conformité Icc =100 uA. Même si la tension de réinitialisation augmente, la valeur du courant a du mal à atteindre le niveau de courant au courant de conformité le plus élevé (Icc =1 mA et Icc =10 mA). L'échauffement Joule généré n'est pas suffisant pour atteindre la température critique. Ainsi, aucun comportement RS unipolaire n'est observé. Si la tension de réinitialisation est encore augmentée, l'appareil peut se casser. Par conséquent, le comportement RS unipolaire est piloté par le chauffage Joule dans AlO_x RRAM.

Pour poursuivre les recherches sur l'influence de l'effet Joule sur le comportement RS, les appareils sont placés à différentes températures. Pendant le processus de réglage, le courant de conformité Icc =10 mA est utilisé. Les courbes I-V du comportement bipolaire sont illustrées à la figure 5a. Il convient de noter que le processus de réinitialisation brusque se transforme en un processus de réinitialisation progressive avec une température décroissante jusqu'à 40 K. Par rapport à 300 K et 340 K, le chauffage Joule peut être bien dispersé à 40 K. L'effet du chauffage Joule peut être réduit au minimum. Ainsi, le mécanisme électrochimique joue un rôle majeur pendant le processus de réinitialisation dans le comportement de commutation bipolaire. Le processus de réinitialisation progressive s'explique par un filament conducteur partiellement rompu. L'appareil ne peut pas être réinitialisé à l'état initial avec la même tension de réinitialisation. Ce phénomène est également observé dans d'autres matériaux d'oxyde métallique [23]. Les figures 5b et c montrent la distribution statistique du courant de fonctionnement (HRS, LRS) et de la tension (SET, RESET) en commutation bipolaire à différentes températures. Il est clair que le courant HRS diminue avec l'augmentation de la température. De plus, la tension SET augmente avec l'augmentation de la température. Ces observations suggèrent que le chauffage Joule affecte la rupture des filaments conducteurs. Lorsque la température augmente, moins de filaments conducteurs restent dans l'AlO_x couche de commutation résistive pendant le processus de réinitialisation. Des états de haute résistance plus isolants sont obtenus. La tension SET augmente évidemment. Le courant LRS augmente légèrement avec l'augmentation de la température, ce qui correspond au transport caractéristique d'un semi-conducteur. La figure 5d montre la caractéristique I-V du comportement unipolaire à différentes températures. Par rapport à 300 K et 340 K, l'appareil ne peut pas revenir à l'état initial à 40 K, ce qui est dû à la dissipation thermique. La température à l'intérieur du filament conducteur n'atteint pas la température critique. Le filament conducteur ne peut pas être complètement rompu. L'appareil ne peut pas basculer à nouveau sur le LRS au courant de conformité Icc =10 mA (la ligne pointillée bleue). Les figures 5e et f montrent la distribution statistique du courant de fonctionnement (HRS, LRS) et de la tension (SET, RESET) sous commutation unipolaire à différentes températures. De même, un courant HRS plus élevé et une tension SET plus importante avec une température croissante sont observés. Ainsi, le chauffage Joule est considéré comme essentiel pour le comportement RS unipolaire.

un Les courbes I-V du comportement bipolaire à différentes températures (40 K (ligne bleue), 300 K (ligne pointillée rouge) et 340 K (ligne verte)) avec un courant de conformité Icc =10 mA. b Résultat statistique du courant HRS et LRS pour 20 cycles de commutation bipolaire à différentes températures (40 K, 300 K et 340 K). c Résultat statistique de la tension SET et RESET pour 20 cycles de commutation bipolaire à différentes températures (40 K, 300 K et 340 K). d Les courbes I-V du comportement unipolaire à différentes températures (40 K (ligne bleue), 300 K (ligne pointillée rouge) et 340 K (ligne verte)) avec un courant de conformité Icc =10 mA. La ligne pointillée bleue indique le prochain processus de réglage après l'opération de réinitialisation. e Résultat statistique du courant HRS et LRS pour 20 cycles de commutation unipolaires à différentes températures (300 K et 340 K). f Résultat statistique de la tension SET et RESET pour 20 cycles de commutation unipolaires à différentes températures (300 K et 340 K)

Pour une meilleure étude du mécanisme de conduction, nous estimons au préalable le mécanisme de commutation en ajustant la courbe I-V. La courbe I-V est retracée dans un tracé double logarithmique, comme le montre la figure 6a. Le LRS montre un comportement conducteur ohmique avec une pente proche de 1, ce qui est probablement dû à la formation de filaments conducteurs [24]. Le HRS peut être divisé en deux régions :dans la zone basse tension (< 0,4 V, région 1), le comportement de conduction ohmique est observé, tandis que dans la zone haute tension (> 0,4 V, région 2), la pente est proche de 2. Le comportement de transport est cohérent avec la conduction à charge limitée (SCLC) [25]. Dans le modèle SCLC, la densité de courant J pour les émissions de SCLC contrôlées par piège peut être décrit comme

un Ajustement linéaire des courbes I-V à l'aide d'une échelle log-log dans le biais positif. b Dépendance de la température du courant pour le HRS de 250 K à 340 K. c L'énergie d'activation E _α à différentes tensions est résumé. L'encart montre un tracé d'Arrhenius des données de température actuelles à différentes tensions dans le HRS. d Dépendance de la température du courant pour le LRS de 250 K à 340 K. e La relation de la conductivité ln I en fonction de la température T ^−1/4 . La tension de lecture est de 0,1  V. f L'énergie d'activation E _α =9.93 meV est calculé

où q est la charge élémentaire, n ₀ est les porteurs libres générés thermiquement, μ est la mobilité électronique, ε _r est la constante diélectrique statique, ε ₀ est la permittivité de l'espace, θ est le rapport de la densité de porteurs libres à la densité de porteurs totale, V est la tension appliquée et d est l'épaisseur du film. En région 1 (faible tension appliquée), correspondant à la loi d'Ohm (I ∝ V ¹ ), un petit nombre de porteurs peut être généré en raison de l'excitation thermique et excité vers la bande de conduction à partir de la bande de valence ou du niveau d'impureté dans cette région. Lorsque la tension appliquée augmente, les porteurs injectés sont piégés. La conduction devient limitée par la charge d'espace. Le courant du HRS suit une loi carrée (I ∝ V ² ) dans la région 2. La figure 6b montre la dépendance à la température du courant HRS. Le courant augmente avec l'augmentation de la température, ce qui suggère un comportement conducteur semblable à celui d'un semi-conducteur [26, 27]. A partir des pentes des tracés de type Arrhenius des données (l'encart de la Fig. 6c), l'énergie d'activation (E _α ) de 0,01 V à 2 V est comme résumé dans la Fig. 6c. Les résultats indiquent que E _α est relativement élevée (~ 0,15 eV) dans la région de basse tension et montre un comportement de conduction ohmique. Lorsque la tension augmente, E _α diminue, ce qui est une caractéristique du SCLC [28]. Les analyses I-V dépendantes de la température soutiennent clairement le mécanisme de conduction SCLC dans le HRS.

La figure 6d montre que le courant du LRS augmente légèrement avec l'augmentation de la température, montrant un comportement conducteur semblable à celui d'un semi-conducteur. Les filaments conducteurs métalliques sont exclus. La figure 6e montre une relation linéaire entre ln (I) et T ^−1/4 , ce qui suggère que le mécanisme du LRS obéit au modèle de saut de gamme variable de Mott [29, 30]. Si les niveaux d'énergie de deux états localisés sont suffisamment proches et que les fonctions d'onde se chevauchent, les électrons peuvent sauter entre les deux sites, aidés par l'énergie thermique. La valeur de l'énergie d'activation E _α est de 9,93 meV pour le LRS, comme le montre la figure 6f, ce qui est inférieur à 26 meV (l'énergie d'activation à température ambiante). Cette valeur assure le saut de gamme variable des électrons à température ambiante. Dans d'autres semi-conducteurs à oxyde métallique, le mécanisme de saut est également observé dans le LRS, et l'ajustement de la courbe I-V montre le comportement conducteur ohmique à température ambiante [31]. Ainsi, le mécanisme de commutation résistif dans le LRS est lié aux lacunes d'oxygène dans les filaments conducteurs.

La figure 7 illustre les modèles de commutation résistive unipolaire et bipolaire. Pour les comportements RS unipolaire et bipolaire dans le processus défini, les ions oxygène migrent vers l'électrode supérieure sous un champ électrique. Enfin, les ions oxygène sont réduits, laissant des lacunes d'oxygène dans l'AlO_x couche de commutation résistive. Une grande accumulation de lacunes d'oxygène forme des filaments conducteurs d'oxygène entre l'ITO et les couches d'Al non oxydé. L'appareil est réglé sur le LRS. Les électrons sautent à travers le filament conducteur composé de lacunes d'oxygène, comme le montrent les figures 7(a) et (c). Pour le comportement RS unipolaire dans le processus de réinitialisation, le courant de conformité est supprimé. La polarisation positive est à nouveau appliquée et le courant augmente avec l'augmentation de la tension. Lorsque le point de température le plus élevé à l'intérieur du filament conducteur atteint la température critique, la stabilité du filament conducteur se détériore et se brise facilement. L'appareil passe au HRS après la destruction du filament conducteur, comme le montre la figure 7(b). Dans le comportement RS bipolaire, une polarisation négative est appliquée à l'électrode supérieure. Les ions oxygène sont extraits vers l'AlO_x couche d'interface. Les filaments conducteurs se rompent, comme le montre la figure 7(d). L'appareil est réinitialisé au HRS. Lorsque le courant de réinitialisation est relativement plus important, le chauffage Joule améliore le processus de rupture du filament conducteur. Une transition abrupte dans le processus de réinitialisation apparaît. Le mécanisme de transport d'électrons dans le HRS est dominé par le mécanisme SCLC dans les deux comportements RS.

Le schéma du mécanisme de commutation de l'AlO_x périphérique RRAM basé. (un ) Définir le processus de commutation unipolaire sous une tension positive. Les filaments conducteurs sont constitués de lacunes d'oxygène. Les flèches noires indiquent la direction de migration des électrons. (b ) Processus de réinitialisation pour commutation unipolaire sous tension positive. Le filament conducteur est rompu par chauffage Joule. Les électrons sont piégés par des défauts. Le mécanisme conducteur dans le HRS est dominé par le SCLC. (c ) Définir le processus de commutation bipolaire sous une tension positive. (d ) Processus de réinitialisation pour la commutation bipolaire sous une tension négative. La rupture des filaments conducteurs

Conclusions

Dans cet article, la coexistence des comportements de commutation résistive unipolaire et bipolaire est observée dans AlO_x basée sur la RRAM. En recherchant les caractéristiques courant-tension de la commutation unipolaire et bipolaire à différents courants de conformité et températures de travail variables, nous proposons que le chauffage Joule est essentiel pour le comportement de commutation résistive unipolaire dans AlO_x basée sur la RRAM. Lorsqu'un courant de programmation élevé traverse le filament conducteur lors du processus de réinitialisation, la température locale dans les filaments conducteurs atteint la température critique et les filaments conducteurs se rompent. Un comportement RS unipolaire se produit. Dans le comportement de commutation résistive bipolaire, le processus de réinitialisation est attribué non seulement au mécanisme électrochimique mais également au chauffage Joule. La chaleur provoque la rupture du filament conducteur lorsque l'appareil a un courant d'effacement élevé, ce qui entraîne une résistance plus élevée du HRS et une tension de fonctionnement SET plus élevée en AlO_x basée sur la RRAM. Ainsi, l'échauffement Joule est un facteur non négligeable des performances RS. Ces résultats nous aideront à comprendre en profondeur l'influence du chauffage Joule sur le comportement de commutation résistive dans AlO_x basée sur la RRAM. De plus, le mécanisme conducteur est étudié. Le mécanisme conducteur du LRS est dû au fait que les électrons sautent à travers des chemins conducteurs. Pour le HRS, le mécanisme conducteur est dominé par le mécanisme SCLC.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données et matériaux sont disponibles sans restriction.

Abréviations

RS :

Commutation résistive

SCLC :

Conduction à charge d'espace limitée

RRAM :

Mémoire vive à commutation résistive

HRS :

État de haute résistance

LRS :

État de faible résistance

SEM :

Microscope électronique à balayage

HRTEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

EDX :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie