용액 처리된 SiO2의 저항 스위칭 동작 제어 | 청도브라이트트레일블레이저그룹유한회사

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8405(2022) 이 기사 인용

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용액 처리된 SiOx 장치의 저항성 스위칭 거동은 TiO2 나노입자(NPs)를 삽입하여 조사되었습니다. 원래의 SiOx 장치와 비교하여 TiO2 NP가 삽입된 SiOx(SiOx@TiO2 NPs) 장치는 뛰어난 스위칭 특성, 즉 더 높은 SET/RESET 비율, 더 낮은 작동 전압, 향상된 사이클 간 가변성, 더 빠른 스위칭 속도 및 다중 RESET 상태. 밀도 함수 이론 계산(DFT)과 회로 차단기 시뮬레이션(CB)을 사용하여 SiOx@TiO2 NP의 뛰어난 스위칭 특성의 기원을 자세히 설명했습니다. 저항성 스위칭의 개선은 주로 SiO2 및 SiO2@TiO2 NPs 장치의 전도성 경로 형성/파단의 차이에 기반합니다. 특히, TiO2 NP의 저항 감소와 낮은 스위칭 전압은 전도성 경로의 형성과 파열을 제어하여 더 높은 온/오프 비율로 SET/RESET 사이의 더 급격한 스위칭을 달성합니다. DFT 계산과 CB를 결합한 이 방법은 고성능 비휘발성 메모리 애플리케이션을 위한 유망한 접근 방식을 제공합니다.

저항성 랜덤 액세스 메모리(ReRAM)에 대한 지속적인 연구를 통해 비휘발성, 빠른 스위칭 속도 및 낮은 전력 소비1,2,3,4,5,6,7를 포함하는 뛰어난 성능이 가능해졌습니다. 최근 ReRAM은 차세대 비휘발성 메모리의 유망한 후보로 많은 관심을 끌었으며 뉴로모픽 전자공학8,9,10,11과 같은 응용 분야에 대한 적합성을 나타냅니다. TiO2, Ta2O5, ZnO, SiO2 및 HfO2를 포함한 활성층에 대해 이진 금속 산화물 저항 스위칭 특성이 광범위하게 연구되었습니다. 이는 조정 가능한 화학양론을 갖는 간단한 구성으로 인해 발생합니다. 그 중, 전극 사이에 샌드위치된 활성층으로 구성된 비정질 형태의 SiOx 소자는 놀라운 저항 스위칭 동작과 투명성을 보여줍니다. SiOx는 상대적으로 낮은 변동성과 탁월한 안정성을 갖는 것으로 알려져 있으며, 이는 높은 저항 상태(HRS)와 낮은 저항 상태(LRS) 사이의 충분한 읽기 마진을 위한 높은 저항 창으로 이어지는 특성입니다. 한편, SiOx 기반 저항 스위칭 장치는 나노구 리소그래피로 제작된 나노기둥 구조의 SiOx, SiO2 층에 에칭된 노출된 측벽, 나노다공성 SiOx 기반 메모리 구조를 포함하는 여러 장치 아키텍처를 사용하여 우수한 스위칭 특성과 신뢰성을 달성했습니다. ,23. 또한, 저항성 스위칭 특성의 변조는 추가 층과 결합하거나 SiOx 기반 매트릭스에 구조를 삽입하여 얻습니다. 알려진 바와 같이, 대부분의 연구 노력은 주로 복잡하고 비용이 많이 드는 진공 기술이 필요한 원자층 증착(ALD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 전자빔 증발 및 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 제조하는 회사를 기반으로 합니다. 27,28,29. 진공 기술을 대체하는 다양한 제조 방법 중에서 용액 공정은 공정 용이성, 비용 효율성, 다양한 기판에 대한 적용성 및 여러 구성 또는 구조와의 조합에 대한 적응성에서 우월성을 나타냈습니다30,31. 또한, 합성과정에서 산화물 매트릭스에 나노구조물을 삽입하는 것이 용이하며, 이러한 간단한 방법을 통해 스위칭 성능의 특성을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

여기서는 용액 처리된 SiOx 기반 ReRAM의 다단계 저항 스위칭 성능 측면에서 저항 스위칭 특성을 개선하기 위해 TiO2 나노입자(NP)를 삽입하는 간단한 방법을 보여줍니다. TiO2 NP가 삽입된 SiOx(SiOx@TiO2 NP로 표시됨)는 원래의 SiOx에 비해 더 높은 SET/RESET 상태 비율, 더 낮은 SET/RESET 전압, 외부 전압을 적용하여 전압 제어 가능한 RESET 상태를 포함하는 우수한 저항 스위칭 특성을 나타냅니다. 또한, 전자 구조 분석, 회로 차단기 시뮬레이션 및 이론적 계산을 통해 저항성 스위칭 동작을 논의합니다. 이러한 과제는 차세대 전자소자 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

2)37. The oxygen vacancies in the SiOx matrix serve as an electron trap, and form the conductive filament. Thus, the migration of oxygen vacancies is an important role in the deviation of slopes. In the high-voltage region, all traps are filled with electrons, and excessive electrons flow through the conduction band of SiOx (achievement of the SET process). The I–V curve of the LRS shows a linear Ohmic behavior with a slope of 1.07. Likewise, the RESET process is also in good agreement with the trap-controlled SCLC mechanism in HRS. In the SiOx@TiO2 NPs, the resistive switching mechanism is similar to that of the SiOx device, as shown in Fig. 4b. The electrons are transported according to traps, such as oxygen vacancies, into the SiOx matrix, as well as TiO2 NPs, and with the application of high voltage, then flow into the conduction band of SiOx and TiO2. This behavior is associated with the bulk-controlled mechanism, such as the conductive filament model based on oxygen vacancy. As a result, the resistive switching mechanism of the SiOx and SiOx@TiO2 NPs devices based on the conductive path can be dominated by valence change memory. The traps are a key factor to form the conductive paths into oxide matrix./p> − 1.7 V), almost all CBs abruptly transform to Rlow,S, and the device achieves the SET process, as shown in #3 of Fig. 6b. In contrast, when the positive voltage is swept to the RESET voltage, Rhigh,S is continuously increased, then the CB network finally reaches the RESET process (according to the blue arrows in sequence from #3 to #5 in Fig. 6b). This cycle of SET/RESET is reversibly obtained on sweeping the voltage. Likewise, the experimental I–V curve of the SiOx@TiO2 NPs device agrees well with the simulated result, as shown in Fig. 6c. In Fig. 6 d, the maps of CB network are composed with four values of CBs of Rlow,S, Rhigh,S, Rlow,T, and Rhigh,T, which indicate SiO2-x, SiO2, TiO2-x, and TiO2, respectively. Initially, almost all CBs with Rhigh,S and Rlow,S are randomly allocated in places. Based on the XPS analysis, the ratio of oxygen deficient Rlow,S is equalized to that of the SiOx device. The Rhigh,T and Rlow,T of TiO2 NPs are also randomly distributed with the proportion of about 5%, to mimic the TiO2 NPs inserted SiOx matrix. Similarly, the initial ratio of Rhigh,S:Rlow,S and Rhigh,T:Rlow,T is established to be about 6:4, respectively, as shown in Fig. 6d. On increasing the negative voltage, the CBs related to TiO2 NPs are more rapidly transited from Rhigh,T to Rlow,T than those of SiO2 under the applied voltage. And, when further voltage is applied to the SiOx@TiO2 NPs device, the CBs related to SiOx are also changed from Rhigh,S to Rlow,S, and the SET process is achieved according to the red arrows (in sequence from #1 to #3) in Fig. 6d. This is related to the TiO2 NPs assisting the construction of the conductive path in SiOx@TiO2 NPs, and causes lower SET voltages than that of the pristine SiOx device. Under the positive voltage sweeps, the CBs of TiO2 NPs are rapidly changed from Rlow,T to Rhigh,T, while the CBs of SiOx are slightly transited. Also, the first-RESET process can be achieved in sequence from #3 to #4, as shown in Fig. 6d. On further increasing the positive voltage, the Rhigh,S is increased, then the RS gradually reaches second-HRS (in sequence from #4 to #6 in Fig. 6d). The 2-step RESET processes can be obtained by controlling the RESET voltages./p>