Contrôle du comportement de commutation résistive dans la solution traitée SiO2 | Qingdao Bright Trailblazer Group Co., Ltd.

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8405 (2022) Citer cet article

934 accès

2 Citations

Détails des métriques

Le comportement de commutation résistif du dispositif SiOx traité en solution a été étudié en insérant des nanoparticules de TiO2 (NP). Comparé au dispositif SiOx vierge, le dispositif SiOx inséré dans les NPs TiO2 (SiOx@TiO2 NPs) atteint des caractéristiques de commutation exceptionnelles, à savoir un rapport SET/RESET plus élevé, des tensions de fonctionnement plus faibles, une variabilité cycle à cycle améliorée, une vitesse de commutation plus rapide et plusieurs états RESET. Le calcul de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et la simulation du disjoncteur (CB) ont été utilisés pour détailler l'origine de la caractéristique de commutation exceptionnelle des NP SiOx@TiO2. L'amélioration de la commutation résistive est principalement basée sur la différence de formation/rupture du chemin conducteur dans les dispositifs NPs SiO2 et SiO2@TiO2. En particulier, la réduction de la résistance et la tension de commutation inférieure des NP de TiO2 contrôlent la formation et la rupture du chemin conducteur pour obtenir une commutation plus abrupte entre SET/RESET avec un rapport marche/arrêt plus élevé. Cette méthode de calcul combiné DFT et CB offre une approche prometteuse pour les applications de mémoire non volatile à hautes performances.

Les recherches en cours sur la mémoire résistive à accès aléatoire (ReRAM) ont permis des performances exceptionnelles qui incluent la non-volatilité, une vitesse de commutation rapide et une faible consommation d'énergie1,2,3,4,5,6,7. Récemment, ReRAM a suscité beaucoup d'intérêt en tant que candidat prometteur pour la mémoire non volatile de nouvelle génération et présente une adéquation pour des applications telles que l'électronique neuromorphique8,9,10,11. Les caractéristiques de commutation de résistance d'oxyde métallique binaire ont été largement étudiées pour une couche active, y compris TiO2, Ta2O5, ZnO, SiO2 et HfO2, en raison de leurs compositions simples avec une stoechiométrie ajustable2,12,13,14,15. Parmi eux, le dispositif avec une forme amorphe de SiOx qui est construit comme une couche active prise en sandwich entre des électrodes montre un comportement de commutation résistif et une transparence remarquables16,17,18,19. SiOx est connu pour avoir une variabilité relativement faible et une stabilité exceptionnelle, lesquelles propriétés conduisent à une fenêtre de haute résistance pour une marge de lecture suffisante entre l'état de haute résistance (HRS) et l'état de faible résistance (LRS)11,20,21. Pendant ce temps, les dispositifs de commutation résistifs à base de SiOx ont atteint des caractéristiques de commutation et une fiabilité supérieures en utilisant plusieurs architectures de dispositifs qui incluent le SiOx à structure nanométrique fabriqué avec une lithographie de nanosphère, une paroi latérale exposée gravée dans la couche de SiO2 et des structures de mémoire à base de SiOx nanoporeux14,22 ,23. De plus, la modulation des propriétés de commutation résistive est obtenue par combinaison avec une couche supplémentaire ou insertion de structures dans la matrice à base de SiOx16,24,25,26. Comme on le sait, la plupart des efforts de recherche sont principalement basés sur des entreprises qui fabriquent en utilisant le dépôt de couche atomique (ALD), le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), l'évaporation par faisceau d'électrons et la pulvérisation magnétron, qui ont besoin de techniques sous vide compliquées et coûteuses21, 27,28,29. Parmi les diverses méthodes de préparation en remplacement des techniques sous vide, le procédé en solution a montré sa supériorité dans son processus facile, sa rentabilité, son applicabilité à divers substrats et son adaptabilité à la combinaison avec plusieurs compositions ou structures30,31. De plus, il est facile d'insérer les nanostructures dans la matrice d'oxyde pendant le processus de synthèse, et cette méthode simple devrait contrôler les caractéristiques des performances de commutation.

Ici, nous démontrons une méthode simple utilisant l'insertion de nanoparticules de TiO2 (NP) pour améliorer les caractéristiques de commutation résistive en termes de performances de commutation résistive à plusieurs niveaux de la ReRAM à base de SiOx traitée en solution. Les NP de TiO2 insérées dans le SiOx (appelées SiOx@TiO2 NP) présentent des caractéristiques de commutation résistives supérieures qui incluent le rapport plus élevé d'états SET/RESET, des tensions SET/RESET plus faibles et un état RESET contrôlable en tension en appliquant une tension externe, par rapport au SiOx vierge. De plus, le comportement de commutation résistif est discuté en analysant la structure électronique, ainsi que la simulation du disjoncteur et le calcul théorique. Ces défis devraient grandement contribuer au développement des appareils électroniques de la prochaine génération.

La figure 1a illustre schématiquement les architectures de réseaux cross-bar des dispositifs de commutation résistifs SiOx et SiOx@TiO2 NPs. Et, pour observer les informations de section transversale des deux appareils, TEM est mesuré comme indiqué sur la figure 1b. L'image TEM du dispositif SiOx montre que la structure ITO/SiOx/ITO est séquentiellement empilée et que l'interface TE/SiOx est clairement formée. En revanche, le dispositif NPs SiOx@TiO2 montre l'interface légèrement rugueuse des NP TE/SiOx@TiO2, qui est liée à l'insertion de NPs TiO2 affectant profondément la rugosité des NPs SiOx@TiO2. Pour examiner la composition des structures des dispositifs NPs SiOx et SiOx @ TiO2, ToF – SIMS a été mesuré de haut en bas de l'électrode pendant la pulvérisation d'ions O avec 2 keV. La figure 1c montre que les spectres de ToF-SIMS peuvent être divisés en trois régions ; la première région est uniquement ITO (électrode supérieure), la deuxième région est la couche de NPs SiOx ou SiOx@TiO2 et la dernière région est ITO (électrode inférieure). Pour le dispositif de commutation SiOx, Si+ est augmenté dans la deuxième région, tandis que In+ et Sn+ sont considérablement diminués. O+ est continuellement détecté dans toutes les régions, car l'oxygène est inclus dans toutes les couches. Ti+ n'est pas détecté dans les première et deuxième régions. Dans la troisième région, Ti+ se trouve en raison du substrat en verre, il peut donc être négligeable32. Dans le cas du dispositif SiOx@TiO2 NPs, les comportements de Si+, In+, Sn+ et O+ sont presque similaires à ceux du dispositif SiOx. Cependant, une quantité considérable de Ti+ est détectée dans la deuxième région, et nous pouvons reconnaître que les NPs de TiO2 sont bien insérées dans la matrice SiOx.

( a ) Structures schématiques de l'architecture du réseau cross-bar, ( b ) les images TEM en coupe transversale et ( c ) le profilage en profondeur avec ToF – SIMS des dispositifs de commutation résistifs SiOx et SiOx @ TiO2 NPs.

La figure 2 montre les compositions et les états de liaison chimique des films de NPs SiOx et SiOx @ TiO2 en utilisant la mesure XPS. Les deux films sont composés d'O, de Si et d'une petite quantité de C, et Ti est inclus à environ 1,5 % dans la couche de NPs SiOx @ TiO2, comme le montre la figure 2a. Pour élucider les états de liaison chimique, les spectres au niveau du cœur de Si 2p et O 1 s ont été normalisés et déconvolués en pics gaussiens. Dans le cas de O 1 s, il est composé de trois pics gaussiens selon les liaisons Si – O (O1s), les états déficients en oxygène (O2) et les groupes hydroxyle (O3), comme le montrent les figures 2b et c26,33. Les films SiOx et SiOx@TiO2 NPs préparés ont beaucoup plus d'états O2 et O3 que le film SiO2 conventionnel. Généralement, cela est lié au fait que le SiOx traité en solution obtient une grande quantité d'états de défaut, tels que des lacunes d'oxygène ou des groupes OH, ce qui affecte la stoechiométrie du SiOx (x < 2)26,28. Dans les spectres Si 2p, le SiO2 régulier (Si4+) et le SiO2-x déficient en oxygène (Si3+) sont indiqués, comme le montrent les Fig. 2b et c34,35. Les films de SiOx préparés synthétisés par le procédé en solution présentent une composition plus élevée de lacunes d'oxygène que le SiO2 synthétisé par le procédé sous vide (oxydation thermique ou dépôt chimique en phase vapeur). En général, la quantité de lacunes d'oxygène devrait changer en raison de la différence d'énergie de dissociation des liaisons dans le système SiOx inséré dans les NP de TiO227,36. Cependant, dans notre système, les états de liaison chimique sont presque similaires, en raison de la faible quantité de NPs de TiO2 dans la matrice SiOx. Par conséquent, le changement des états de liaison chimique de SiOx est imperceptible.

(a) Enquête XPS (à gauche) et élargissement de la gamme Ti 2p (à droite) pour les NP SiOx@TiO2. Spectres au niveau du noyau de O 1 s et Si 2p pour (a) SiOx et (b) SiOx@TiO2 NPs.

La figure 3 montre les performances de commutation résistive des dispositifs NPs SiOx et SiOx@TiO2. Tout d'abord, la tension est balayée pour passer de l'état vierge au LRS avec le courant de conformité de 0,1 mA. Les deux dispositifs présentent un comportement de commutation résistif bipolaire avec le processus SET, qui est obtenu en balayant la tension négative, tandis que le processus RESET est obtenu en balayant la tension positive. Ces processus peuvent être modifiés de manière réversible en contrôlant la tension. En détail, le dispositif SiOx passe de HRS à LRS (processus SET) à − 1,7 V, tandis que le dispositif passe en continu de LRS à HRS (processus RESET) en appliquant une tension à 2,0 V. Pour le dispositif SiOx@TiO2 NPs, le SET processus se produit à - 1,1 V, ce qui est inférieur à la tension SET du dispositif SiOx. De plus, à la différence du dispositif SiOx, le processus RESET est obtenu deux fois ; le premier processus RESET apparaît à 0,7 V, puis le deuxième processus RESET avec un léger changement de résistance est obtenu tout en augmentant la tension à 2,0 V. La vitesse de commutation est obtenue que les RSs changent sous la largeur d'impulsion de 3 us dans le dispositif SiOx. Dans le cas d'un dispositif NPs SiOx @ TiO2, les RS transitent avec une largeur d'impulsion de 200 ns, comme indiqué sur les Fig. 3a et b. Pour évaluer la fiabilité des dispositifs, la rétention et l'endurance ont été réalisées pour les NP SiOx et SiOx@TiO2. Le test de rétention a été effectué en sondant chaque LRS et HRS pendant 103 s à température ambiante et en lisant le courant à 0,1 V. Le dispositif SiOx maintient le rapport LRS/HRS d'environ 20 pendant 103 s. Pour le dispositif SiOx@TiO2 NPs, trois RS bien définis (LRS, HRS1 et HRS2) sont maintenus pendant 103. De plus, les lignes pointillées indiquent l'attente de la durée de vie de deux dispositifs. Le dispositif SiOx montre une espérance de vie de près de 103 s, sinon le dispositif SiOx@TiO2 NPs devrait avoir une durée de vie supérieure à 104 s. Pour examiner les performances d'endurance, le test de cycle SET/RESET a été effectué 102 fois et le niveau de courant a été enregistré à 0,1 V. Les deux appareils affichent un rapport LRS/HRS stable pendant 102 cycles. En particulier, les NP SiOx@TiO2 présentent les multiples RS pendant 102 cycles. De plus, l'endurance des NP SiOx@TiO2 est évaluée pour 104 cycles sous une largeur d'impulsion de 200 ns. L'appareil montre le fonctionnement stable pendant 104 cycles. Un long temps de rétention et une endurance stable indiquent la grande fiabilité des dispositifs de commutation résistifs à base de SiOx traités en solution. La distribution des tensions SET et RESET est mesurée 102 fois et le niveau de courant a été enregistré à 0,1 V pour examiner la variabilité cycle à cycle des appareils. Les deux appareils montrent un rapport LRS/HRS stable pendant 102 cycles. En particulier, les NP SiOx@TiO2 présentent les multiples RS pendant 102 cycles, et la commutation résistive stable se produit dans le dispositif NPs SiOx@TiO2, par rapport au dispositif SiOx. Les performances stables d'endurance, de rétention et de variabilité d'un cycle à l'autre indiquent la grande fiabilité des dispositifs de commutation résistifs à base de SiOx traités en solution. D'après les caractéristiques de commutation résistives, il est conclu que le dispositif SiOx@TiO2 NPs peut s'attendre à des performances élevées et à une mémoire non volatile de faible puissance en raison d'une tension de fonctionnement plus faible, d'un rapport marche/arrêt plus élevé et d'une vitesse de commutation rapide23. De plus, en raison de la commutation à plusieurs niveaux, le dispositif NPs SiOx@TiO2 est également applicable à la mémoire à plusieurs niveaux.

Caractéristiques I – V, vitesse de commutation, rétention (les lignes pointillées indiquent la durée de vie prévue des dispositifs), endurance et variabilité cycle à cycle des dispositifs de commutation résistifs (a) SiOx et (b) SiOx@TiO2 NPs.

Pour découvrir l'origine de l'amélioration des performances du dispositif NPs SiOx@TiO2, nous avons clarifié le mécanisme de commutation résistif des dispositifs NPs SiOx et SiOx@TiO2. Les courbes I – V sont retracées sous forme de log I – log V, comme indiqué sur les figures 4a et b. Dans le processus SET du dispositif de commutation résistif SiOx, la courbe I – V du HRS présente une conduction à courant limité par charge d'espace contrôlée par piège (SCLC), qui est composée de trois parties : la région ohmique (I ∝ V), la courbe de Child la région de loi (I ∝ V2), et la région fortement croissante (I ∝ Vn, n > 2)37. Les lacunes d'oxygène dans la matrice SiOx servent de piège à électrons et forment le filament conducteur. Ainsi, la migration des lacunes d'oxygène joue un rôle important dans la déviation des pentes. Dans la région à haute tension, tous les pièges sont remplis d'électrons et les électrons en excès traversent la bande de conduction de SiOx (réalisation du processus SET). La courbe I–V du LRS montre un comportement ohmique linéaire avec une pente de 1,07. De même, le processus RESET est également en bon accord avec le mécanisme SCLC contrôlé par piège dans HRS. Dans les NP SiOx@TiO2, le mécanisme de commutation résistif est similaire à celui du dispositif SiOx, comme illustré à la Fig. 4b. Les électrons sont transportés selon des pièges, tels que les lacunes d'oxygène, dans la matrice SiOx, ainsi que dans les NP de TiO2, et avec l'application d'une haute tension, puis s'écoulent dans la bande de conduction de SiOx et TiO2. Ce comportement est associé au mécanisme contrôlé par le volume, tel que le modèle de filament conducteur basé sur la lacune d'oxygène. En conséquence, le mécanisme de commutation résistive des dispositifs NPs SiOx et SiOx@TiO2 basés sur le chemin conducteur peut être dominé par la mémoire de changement de valence. Les pièges sont un facteur clé pour former les chemins conducteurs en matrice d'oxyde.

Tracé log I–log V des courbes I–V des NP (a) SiOx et (b) SiOx@TiO2 dans les processus SET et RESET.

De plus, pour prédire la différence de mécanisme de conduction en fonction des défauts de lacunes d'oxygène (VO) des dispositifs SiOx et SiOx @ TiO2 NPs, des calculs DFT pour les défauts de chaque oxyde ont été effectués, comme illustré à la Fig. 5. En considérant un cristal stable structure, la phase α de SiO2 et la phase anatase de TiO2 ont été choisies pour les calculs. Les figures 5a et b montrent les énergies de formation dépendant du niveau de Fermi des défauts VO (VOn, où n = (− 2, − 1, 0, + 1 et + 2)) et les structures de bande contenant les niveaux d'énergie pour chaque charge état des lacunes d'oxygène dans SiO2 et TiO2, respectivement. De plus, dans le cas du VO dans SiO2, le + 2 est l'état de charge stable pour la plage d'énergie (0,0–3,2) eV, 0 est stable pour la plage (3,2–6,6) eV, et − 2 devient stable au-dessus 6,6 eV. Pour le TiO2, l'état de charge + 2 s'avère être l'état le plus stable sur toute la plage de bande interdite. Considérant le niveau de Fermi de SiO2 et TiO2, qui est mesuré dans le spectre de bande de valence de XPS, les états de charge les plus stables de VO sont 0 et + 2 pour SiO2 et TiO2, respectivement. Étant donné que l'énergie de formation de VO dans TiO2 est inférieure à celle de VO dans SiO2, VO est plus facilement généré dans TiO2 que dans SiO2. De plus, étant donné que la migration induite par le champ électronique de VO peut se produire pour des états chargés, VO dans TiO2 qui a 2 + états de charge peut migrer avec un champ électronique plus petit.

(a) Image structurelle du SiOx, et (b) TiO2-x. ( c ) États de défaut des états de charge stables des lacunes d'oxygène (VO) dans SiOx, et ( d ) Énergie de formation dépendante du niveau de Fermi des états de charge des défauts VO dans SiOx. ( e ) État de défaut de la charge stable de VO dans les NP SiOx @ TiO2 et ( f ) Énergie de formation dépendante du niveau de Fermi des états de charge des défauts VO dans les NP SiOx @ TiO2.

Les figures 5c et d montrent les diagrammes schématiques des bandes d'énergie des dispositifs NPs SiOx et SiOx @ TiO2 à partir des résultats des niveaux d'énergie pour des états de charge stables. Les alignements de bande sont estimés sur la base du spectre de bande de valence dans XPS. Pour les systèmes SiO2 et TiO2, VO génère des états de défaut dans la bande interdite, ainsi le changement de résistance du dispositif RERAM peut se produire par la génération (SET) et le durcissement (RESET) de VO dans l'oxyde. Cependant, compte tenu de l'alignement des bandes, l'énergie d'activation du niveau de Fermi aux états de défaut est plus petite dans TiO2 que dans SiO2. De plus, la barrière pour l'injection de porteurs à partir de l'électrode ITO est plus faible dans TiO2 avec VO que dans SiO2 avec VO. Par conséquent, la résistance de LRS dans TiO2 est inférieure à la résistance de LRS dans SiO2.

Pour comprendre la formation / rupture du chemin conducteur en fonction des lacunes d'oxygène pour les dispositifs SiOx et SiOx @ TiO2 NPs, la figure 6 montre la simulation stochastique du disjoncteur (CB) qui a été réalisée. La méthode de simulation a été comparée à des recherches antérieures, comme indiqué par Brivio et al. Les relations relatives entre les paramètres pour SiO2 et TiO2 dans les CB ont été déterminées sur la base du calcul DFT. Le tableau 1 répertorie les paramètres. La figure 6b montre que les résistances des CB sont initialisées avec deux valeurs de Rhigh,S et Rlow,S pour simuler l'oxyde isolant et la couche d'oxyde conductrice, comme SiO2 et SiO2-x déficient en oxygène, respectivement. Pour émuler la matrice SiOx déficiente en oxygène, la plupart des disjoncteurs sont initialisés avec Rhigh,S, tandis que le reste des disjoncteurs sont initialisés avec Rlow,S dans l'état initial. Dans ce cas, le rapport Rhigh,S:Rlow,S est fixé à environ 6:4, et les probabilités de commutation de Rhigh,S et Rlow,S dépendent du champ électrique et de la température par effet Joule. Lors de l'application du volage négatif, quelques-uns des CB sont modifiés de Rhigh, S à Rlow, S en séquence de #1 à #2 sur la Fig. 6b. Ensuite, la tension est appliquée au-dessus de la tension SET (> - 1,7 V), presque tous les disjoncteurs se transforment brusquement en Rlow, S, et l'appareil réalise le processus SET, comme illustré au n° 3 de la Fig. 6b. En revanche, lorsque la tension positive est balayée vers la tension RESET, Rhigh, S est continuellement augmenté, puis le réseau CB atteint finalement le processus RESET (selon les flèches bleues en séquence de #3 à #5 sur la Fig. 6b). Ce cycle de SET/RESET est obtenu de manière réversible lors du balayage de la tension. De même, la courbe expérimentale I – V du dispositif SiOx @ TiO2 NPs concorde bien avec le résultat simulé, comme le montre la figure 6c. Sur la figure 6d, les cartes du réseau CB sont composées de quatre valeurs de CB de Rlow,S, Rhigh,S, Rlow,T et Rhigh,T, qui indiquent SiO2-x, SiO2, TiO2-x et TiO2 , respectivement. Initialement, presque tous les CB avec Rhigh,S et Rlow,S sont répartis aléatoirement par endroits. Sur la base de l'analyse XPS, le rapport de manque d'oxygène Rlow,S est égalisé à celui du dispositif SiOx. Les Rhigh,T et Rlow,T des NPs de TiO2 sont également distribués de manière aléatoire avec une proportion d'environ 5 %, pour imiter la matrice SiOx insérée dans les NPs de TiO2. De même, le rapport initial de Rhigh,S:Rlow,S et Rhigh,T:Rlow,T est établi à environ 6:4, respectivement, comme représenté sur la figure 6d. En augmentant la tension négative, les CB liés aux NP de TiO2 transitent plus rapidement de Rhigh,T à Rlow,T que ceux de SiO2 sous la tension appliquée. Et, lorsqu'une tension supplémentaire est appliquée au dispositif SiOx @ TiO2 NPs, les CB liés à SiOx sont également modifiés de Rhigh, S à Rlow, S, et le processus SET est réalisé selon les flèches rouges (en séquence de #1 à #3) sur la figure 6d. Ceci est lié aux NP de TiO2 aidant à la construction du chemin conducteur dans les NP de SiOx@TiO2, et provoque des tensions SET inférieures à celles du dispositif SiOx vierge. Sous les balayages de tension positifs, les CB des NP de TiO2 sont rapidement changés de Rlow,T à Rhigh,T, tandis que les CB de SiOx sont légèrement transités. De même, le premier processus de RÉINITIALISATION peut être réalisé en séquence de #3 à #4, comme représenté sur la figure 6d. En augmentant encore la tension positive, le Rhigh,S est augmenté, puis le RS atteint progressivement la deuxième HRS (en séquence de #4 à #6 sur la Fig. 6d). Les processus RESET en 2 étapes peuvent être obtenus en contrôlant les tensions RESET.

(a) et (c) Comparaison des courbes expérimentales et simulées, et (b) et (d) cartes des disjoncteurs avec application des tensions aux dispositifs de commutation résistifs SiOx et SiOx@TiO2 NPs.

Dans cette étude, la méthode de simulation, qui s'exprime simplement par la formation/rupture du chemin conducteur avec le modèle CB stochastique dans le cas d'une matrice d'oxyde déficiente en oxygène et de dispositifs de mémoire résistive à oxyde inséré dans des nanoparticules, permet une charge de calcul inférieure pour chaque CB simulation de réseau que les méthodes de simulation conventionnelles. À partir de la simulation CB, le chemin conducteur basé sur les lacunes d'oxygène est examiné de manière stochastique sous balayage de la tension externe. La différence dans la commutation des dispositifs SiOx et SiOx@TiO2 NPs, tels que le multiple-RESET, l'abaissement de la tension de commutation et l'augmentation du rapport marche/arrêt, peut être obtenue en insérant les NPs TiO2.

Dans notre cas, le processus SET est brutal en appliquant les tensions négatives, ce qui est lié au champ électrique induisant la migration du défaut, et provoquant alors une augmentation du courant. En revanche, le processus de RESET progressif est dû à la rupture progressive du filament conducteur lorsque la tension positive est appliquée aux dispositifs11,39. De plus, l'amélioration du rapport LRS / HRS est remarquable, comme le montrent les figures 3a et b. Cela peut être corrélé au changement de l'environnement de croissance du filament conducteur à l'intérieur de la couche RS en raison de l'insertion de TiO2 NPs40. En appliquant la tension positive, le filament conducteur peut facilement se rompre du fait de l'existence de NPs de TiO2 à l'intérieur de la matrice SiOx, et les porteurs ont du mal à circuler à l'intérieur de la couche RS. Par conséquent, le niveau actuel de HRS pour les NP SiOx@TiO2 est inférieur à celui du dispositif SiOx.

Nous démontrons l'amélioration du comportement de commutation résistive dans le dispositif SiOx traité en solution par l'insertion de NPs de TiO2, qui est structuré avec ITO/SiOx@TiO2 NPs/ITO sur un substrat de verre. Le dispositif de commutation résistif SiOx@TiO2 NPs présente un comportement de commutation résistif bipolaire stable. En outre, des caractéristiques de commutation exceptionnelles, telles que le rapport plus élevé de SET/RESET, des tensions SET/RESET plus faibles, une variabilité cycle à cycle améliorée, une vitesse de commutation plus rapide et des RS multiples contrôlables (LRS, HRS1 et HRS2) en appliquant des tensions , peut être obtenu, par rapport au dispositif SiOx vierge. Sur la base de la simulation stochastique du disjoncteur, nous pouvons conclure que l'amélioration des performances de commutation dans les NP SiOx@TiO2 provient de la différence dans la formation et la rupture du filament conducteur par les NP TiO2 insérées.

La solution de SiOx a été synthétisée par la polymérisation sol-gel d'alcoolates de silicium. Tout d'abord, l'éthanol (C2H5OH, Aldrich, 99,9 %) et l'eau déionisée (DI) ont été soigneusement agités. Quelques minutes plus tard, de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS, Si(OC2H5)4, Aldrich) a été ajouté comme produit de départ. Après cela, de l'acide chlorhydrique (HCl, Merck, 37 %) a été ajouté goutte à goutte à la solution pendant 4 h, puis 0,1 M d'hydroxyde de sodium (NaOH, Merck) a été ajouté pendant 16 h41,42. Au cours du processus de synthèse, la solution a été vigoureusement agitée à 500 tr/min. Après synthèse, la solution de SiOx incolore et transparente a finalement été obtenue.

Pour fabriquer le dispositif de mémoire à commutation résistive à base de SiOx avec une architecture de matrice à barres croisées, le processus de décollage a été effectué sur un substrat en verre26. La solution de SiOx diluée avec de l'éthanol a été déposée sur l'électrode inférieure à motifs (BE) et revêtue par centrifugation pour le dépôt de SiOx de 50 nm d'épaisseur à 5000 tr/min pendant 60 s. Dans le cas du film SiOx @ TiO2 NPs, la solution de SiOx et la solution dispersée de TiO2 NPs ont été mélangées dans un rapport de 1: 7, puis enduites par centrifugation dans les mêmes conditions. Après cela, les films de NPs SiOx et SiOx @ TiO2 ont été séchés à 80 ° C pendant 20 min dans un four, puis recuits à l'aide d'un four à 450 ° C pendant 1 h. L'électrode supérieure (TE) a également été formée en utilisant le processus de décollage, et l'architecture ReRAM à barre transversale a finalement été obtenue avec un dispositif actif de 20 µm × 20 µm. Au cours de la mesure XPS, la pulvérisation d'ions Ar a été réalisée à 500 V pendant 10 s pour éliminer la contamination par le carbone à la surface.

Les échantillons en coupe transversale ont été préparés avec un système à faisceau ionique focalisé (FIB, FEI Helios 650) et une microscopie électronique à transmission à effet de champ (TEM, JEOL Ltd. JEM-F200) a été obtenue. La composition a été examinée par spectrométrie de masse à ions secondaires à temps de vol (ToF-SIMS, IONTOF, TOFSIMS5) avec 30 keV d'ion Bi avec une taille de spot de 35 µm × 35 µm, et le profil de profondeur a été obtenu avec 2 keV de O pulvérisation ionique.

Pour étudier la composition et l'état de liaison chimique des NP SiOx et SiOx@TiO2, la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS, ESCA Versaprobe II) a été réalisée par rayonnement X monochromatique à l'énergie hv = 1486,7 eV (source Al Kα) avec pass énergie de 29,5 eV. Le comportement de commutation résistif a été observé en utilisant le courant-tension (I-V), qui a été mesuré par un analyseur de semi-conducteurs (Keithley-4200). Pour entrer en contact avec l'électrode inférieure, la couche supérieure de SiOx a été légèrement grattée à l'aide d'une pointe fine car l'électrode inférieure était complètement recouverte de couche de SiOx. Pendant la mesure I – V, la tension a été appliquée à TE et BE a été mis à la terre. La structure électronique du système SiOx inséré dans les NP SiOx et TiO2 et les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été effectués avec le logiciel de simulation Vienna Ab Initio (VASP) avec MedeA GUI43,44. Les structures électroniques de la phase α de SiO2 et de la phase anatase de TiO2 ont été prises en compte pour prédire la commutation ReRAM dans le système SiOx inséré dans les NP SiOx et TiO2. Pour tous les calculs, nous avons utilisé la fonctionnelle PBEsol avec une énergie de coupure de 500 eV45,46,47. Lors du calcul de la cellule unitaire, pour avoir un espacement k inférieur à 0,2/Å, nous avons choisi une grille de points k 9 × 9 × 7 et 9 × 9 × 5 pour SiO2 et TiO2, respectivement. L'optimisation géométrique a été réalisée à l'aide d'un algorithme RMM-DIIS, itéré jusqu'à ce que la condition de 0,01 eV/Å soit satisfaite. Pour déterminer la structure électronique des défauts dans SiO2 et TiO2, nous avons généré une supercellule 2 × 2 × 1 pour SiO2 et TiO2. Une seule lacune d'oxygène dans divers états de charge (VO++, VO+, VO0, VO–, VO–) a été générée dans les deux structures de supercellule et optimisée géométriquement jusqu'à ce que la condition de 0,01 eV/Å soit satisfaite avec une grille 5 × 5 × 3 de k- points et grille 5 × 5 × 3 de points k pour SiO2 et TiO2, respectivement. Le calcul avec la fonction hybride (HSE06) a été effectué pour évaluer la position précise des états de défauts pour les structures optimisées contenant des défauts48. L'énergie de formation du défaut chargé a été calculée à l'aide de l'équation 49 :

où E(q) est l'énergie totale de la supercellule de charge q, E(n) est l'énergie totale d'une supercellule neutre, µe est le potentiel chimique de l'électron (niveau de Fermi) et ΔV est le décalage du niveau d'énergie de la bande de cantonnière maximum. Pour expliquer le mécanisme de commutation résistif basé sur la formation/rupture de lacunes d'oxygène, la modélisation du disjoncteur (CB) a été réalisée à l'aide du programme Matlab. Le réseau CB était connecté par des résistances CB horizontales et verticales (90 × 30), qui étaient composées de deux résistances de Rlow et Rhigh. Au cours de la modélisation CB, la tension a été appliquée à tous les nœuds des lignes supérieures, tandis que tous les nœuds des lignes inférieures étaient mis à la terre.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Waser, R. & Aono, M. Mémoires de commutation résistives basées sur Nanoionics. Nat. Mater. 6(11), 833–840 (2007).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yang, YC, Pan, F., Liu, Q., Liu, M. & Zheng, F. Mémoire résistive non volatile entièrement fabriquée à température ambiante pour une application de mémoire ultrarapide et haute densité. Nano Lett. 9(4), 1636-1643 (2009).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Torrezan, AC, Strachan, JP, Medeiros-Ribeiro, G. & Williams, RS Commutation sous-nanoseconde d'un memristor d'oxyde de tantale. Nanotechnologie 22(48), 485203 (2011).

Article PubMed CAS Google Scholar

Yang, JJ et al. Mécanisme de commutation memristive pour nanodispositifs métal/oxyde/métal. Nat. Nanotechnologie. 3(7), 429–433 (2008).

Article CAS PubMed Google Scholar

Sun, B., Zhou, G., Xu, K., Yu, Q. & Duan, S. Systèmes de mémoire auto-alimentés. Affaire ACS. Lett. 2, 1669–1690 (2020).

Article CAS Google Scholar

Wang, Z. et al. Matériaux de commutation résistifs pour le traitement de l'information. Nat. Rév. Mater. 5, 173–195 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Maikap, S. & Banerjee, W. En quête de commutation non filamentaire : une approche synergique de l'ingénierie à double nanostructure pour améliorer la variabilité et la fiabilité des dispositifs de mémoire à accès aléatoire résistifs. Adv. Électron. Mater. 6(6), 2000209 (2020).

Article CAS Google Scholar

Sun, B. et al. Un biomemristor à autosélection semblable à une batterie à partir de biomatériaux naturels abondants dans la terre. ACS Appl. Bio Mater. 4, 1976-1985 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Gong, N. et al. Extraction de signal et de bruit à partir d'éléments de mémoire analogiques pour l'informatique neuromorphique. Nat. Commun. 9(2102), 17 (2018).

Google Scholar

Ginnaram, S., Qiu, JT & Maikap, S. Rôle de la couche interfaciale Hf/Si sur les hautes performances de la RAM de pont conducteur à base de MoS2 pour l'application de synapse artificielle. IEEE Electron Dev. Lett. 41(5), 709–712 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Dutta, M., Senapati, A., Ginnaram, S. & Maikap, S. Mémoire de commutation résistive et synapse artificielle en utilisant des points de croisement conducteurs à base de Ti/MoS2. Vide 176, 109326 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Strukov, DB, Snider, GS, Stewart, DR & Williams, RS Le memristor manquant trouvé. Nature 453, 80–83 (2008).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Huang, Y. et al. Mémoire vive résistive à base de ZnO amorphe. RSC Adv. 6, 17867–17872 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Ambrosi, E., Bricalli, A., Laudato, M. & Ielmini, D. Impact des matériaux d'oxyde et d'électrode sur les caractéristiques de commutation des dispositifs ReRAM à oxyde. Discutez de Faraday. 213, 87–98 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wedig, A. et al. Mouvement des cations à l'échelle nanométrique dans les systèmes memristifs TaOx, HfO2 et TiOx. Nat. Nanotechnologie. 11, 67-74 (2016).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Furuta, S. et al. Dépendance des propriétés électriques d'une jonction nanogap sur le matériau d'électrode. Jpn. J. Appl. Phys. 47, 1806–1812 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Ji, L. et al. Architecture intégrée à une diode et une résistance dans une mémoire à commutation résistive SiOx à nanopilier par lithographie à la nanosphère. Nano Lett. 14(813–818), 18 (2014).

Annonces Google Scholar

Chang, Y.-F. et coll. Mémoire de commutation résistive unipolaire intrinsèque à base de SiOx. II. Effets thermiques sur le transport de charge et caractérisation de la programmation multiniveaux. J. Appl. Phys. 116, 043709 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Roy, S. et al. Comparaison des caractéristiques de commutation résistive en utilisant un film SiOx déposé par pistolet électronique / pulvérisation dans une structure WSiOx / TiN et une détection de pH / créatinine via une électrode en iridium. J. Alliage. Compd. 726(5), 30–40 (2017).

Article CAS Google Scholar

Ambrogio, S., Balatti, S., McCaffrey, V., Wang, DC et Ielmini, D. Technologie de dispositif de commutation résistive basée sur l'oxyde de silicium pour un meilleur rapport ON-OFF - Partie I : dispositifs de mémoire. IEEE Trans. Appareils électroniques 62(11), 3812–3819 (2015).

Annonces d'article Google Scholar

Wang, J. et al. Commutation résistive multiniveaux et longue rémanence en Cu/SiOx-W-SiOx/Pt nanostructuré à basse température. Appl. Phys. Lett. 103, 212903 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Effets de la gravure latérale sur les propriétés électriques de la mémoire vive résistive SiOx. Appl. Phys. Lett. 103, 213505 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, G. et al. Mémoire d'oxyde de silicium nanoporeux. Nano Lett. 14(8), 4694–4699 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yao, J., Sun, Z., Zhong, L., Natelson, D. & Tour, JM Commutateurs résistifs et mémoires en oxyde de silicium. Nano Lett. 10, 4105–4110 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, C.-Y., Chiang, K.-C. & Lai, C.-H. Propriétés de mémoire résistive d'un dispositif électrochimique à base de SiO2 sans électrode active. J.Vac. Sci. Technol. A 34, 02D102 (2016).

Article CAS Google Scholar

Hu, Q. et al. Modulation de la commutation résistive dans les empilements Pt/LiCoO2/SiO2/Si. J. Mater. Sci. 30, 4753–4759 (2019).

CAS Google Scholar

Carlos, E., Branquinho, R., Martins, R., Kiazadeh, A. & Fortunato, E. Progrès récents dans les dispositifs de commutation résistifs à oxyde métallique à base de solution. Adv. Mater. 33(7), 2004328 (2020).

Article CAS Google Scholar

Kim, S. et al. Double fonction du dispositif V/SiOx/AlOy/p++Si comme sélecteur et mémoire. Nanoscale Res. Lett. 13, 252 (2018).

Article ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Observation de la croissance de filaments conducteurs dans des mémoires résistives à l'échelle nanométrique. Nat. Commun. 3, 732 (2012).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Li, P. et al. SiOx traité en solution à température ambiante via une approche photochimique pour une mémoire à commutation résistive très flexible. ACS Appl. Interfaces 12(50), 56186–56194 (2020).

Article CAS Google Scholar

Kwon, S., Kin, M.-J. & Chung, K.-B. Caractéristiques multi-niveaux du dispositif de commutation résistif transparent non volatil TiOx en incorporant des nanoparticules de SiO2. Sci. Rep. 11, 9883 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gonzalez-Garcia, L., Gonzalez-Valls, I., Lira-Cantu, M., Barranco, A. & Gonzalez-Elipe, AR Aligne les couches nanocolumnaires de TiO2 préparées par PVD-GLAD pour les cellules solaires sensibilisées par un colorant transparent. Énergie Environ. Sci. 4, 3426–3435 (2011).

Article CAS Google Scholar

Birer, O., Sayan, S., Suzer, S. & Aydinli, A. Enquête XPS sur les couches minces de SiOx et SiOxNy. J. Mol. Structure. 480–481, 611–614 (1999).

Annonces d'article Google Scholar

Alfonsetti, R., Lozzi, L., Passacantando, M., Picozzi, P. & Santucci, S. Études XPS sur des couches minces de SiOx. Appl. Le surf. ski 70–71(222–225), 20 (1993).

Google Scholar

Jiang, H. et al. Commutation de résistance dépendante de la polarité dans les structures W/SiO2/Pt et W/SiO2/Si/Pt. Sci. Rep. 6, 22216 (2016).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luo, Y.-R. Manuel complet des énergies de liaison chimique (CRC Press, Floride, 2007).

Réserver Google Scholar

Mikhaylov, AN et al. Commutation résistive bipolaire et transport de charge dans un memristor en oxyde de silicium. Mater. Sci. Ing. B 194, 48–54 (2015).

Article CAS Google Scholar

Brivio, S. & Spiga, S. Modèle de réseau de disjoncteurs stochastiques pour les mémoires à commutation de résistance bipolaire. J. Comput. Électron. 16, 1154-1166 (2017).

Article CAS Google Scholar

Kim, D., Park, JH, Jeon, DS, Dongale, TD & Kim, TG Dispositif ReRAM basé sur Ta2O5-y avec dispositif de sélection bicouche basé sur Ag: ZrNx sans recuit. J. Alliage. Compd. 854, 157261 (2021).

Article CAS Google Scholar

Li, Y., Long, S., Liu, Q., Lv, H. & Liu, M. Amélioration des performances de commutation résistive via un filament conducteur modulant à l'échelle nanométrique, impliquant l'application de matériaux en couches bidimensionnels. Petit 13, 1604306 (2017).

Article CAS Google Scholar

Buckley, AM & Greenblatt, M. La préparation sol-gel de gels de silice. J. Chem. Éduc. 71, 599–602 (1994).

Article CAS Google Scholar

Reiser, JT, Ryan, JV & Wall, NA Synthèse sol-gel et caractérisation de gels avec des compositions pertinentes pour les couches d'altération de verre hydraté. ACS Oméga 4, 16257–16269 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kresse, G. & Joubert, D. Des pseudopotentiels ultradoux à la méthode des ondes augmentées par projecteur 21. Phys. Rév. B 59(3), 1758–1775 (1999).

Article ADS CAS Google Scholar

Kresse, G. & Furthmuller, J. Efficacité des calculs d'énergie totale ab-initio pour les métaux et les semi-conducteurs à l'aide d'un ensemble de base d'ondes planes. Calcul. Mater. Sci. 6(1), 15–50 (1996).

Article CAS Google Scholar

Perdew, JP et al. Restauration de l'expansion du gradient de densité pour l'échange dans les solides et les surfaces. Phys. Rév. Lett. 100, 136406 (2008).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Perdew, JP et al. Perdew et al. répondre. Phys Rev. Lett. 101, 239702 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Mattsson, AE, Armiento, R. & Mattsson, TR Commentaire sur "Restaurer l'expansion du gradient de densité pour l'échange dans les solides et les surfaces". Phys. Rév. Lett. 101, 239701 (2008).

Article ADS PubMed CAS Google Scholar

Heyd, J. & Scuseria, GE Fonctionnelles hybrides basées sur un potentiel de coulomb filtré. J. Chem. Phys. 118, 8207 (2003).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhang, SB & Northrup, JE Dépendance du potentiel chimique des énergies de formation de défauts dans GaAs : application à l'autodiffusion de Ga. Phys. Rév. Lett. 67, 2339-2342 (1991).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Télécharger les références

Ce travail a été soutenu par le programme Industry Technology RandD (20016319) et par le Technology Innovation Program (2001496) financé par le ministère du Commerce, de l'Industrie et de l'Énergie (MOTIE, Corée). Ce travail a également été soutenu par Samsung Display Co., Ltd.

Division of Physics and Semiconductor Science, Dongguk University, Seoul, 04620, République de Corée

Sera Kwon, Min-Jung Kim, Kwangsik Jeong et Kwun-Bum Chung

Département de science et génie des matériaux, UNIST, Ulsan, 44919, République de Corée

Dong Hyeok Lim

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

SK a rédigé le projet original avec l'aide de DHL, KJ et KBCSK a mené l'expérience et évalué les données avec l'aide de MJK, et KJKJ a effectué le calcul DFT, et DHL a effectué la simulation CB. Tous les auteurs ont approuvé la version finale du manuscrit.

Correspondance à Kwangsik Jeong ou Kwun-Bum Chung.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Kwon, S., Kim, MJ., Lim, DH. et coll. Contrôle du comportement de commutation résistif dans le dispositif SiO2-x traité en solution par l'insertion de nanoparticules de TiO2. Sci Rep 12, 8405 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12476-y

Télécharger la citation

Reçu : 23 février 2022

Accepté : 04 mai 2022

Publié: 19 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12476-y

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.