Высокочастотное резистивное переключение аморфных TiO2 и NiO

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13804 (2022) Цитировать эту статью

1114 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Резистивное переключение (RS) оксидов переходных металлов (TMO) стало не только привлекательным выбором для разработки энергонезависимой памяти следующего поколения, но и подходящим семейством материалов, способных поддерживать необходимое высокочастотное и высокоскоростное переключение. для технологий беспроводной связи следующего поколения, таких как 6G. Точный механизм RS еще не совсем понятен; однако широко распространено мнение, что это связано с образованием и разрывом субстехиометрических проводящих нитей (фаз Магнели) соответствующих оксидов при активации. Здесь мы исследуем поведение переключения аморфных TiO2 и NiO как в режиме постоянного тока, так и в высокочастотном режиме. Мы показываем, что сопротивление аморфного TiO2 постоянному току не зависит от длины активной области. Напротив, сопротивление образцов NiO сильно зависит от длины, а его сопротивление постоянному току снижается с увеличением длины. Мы также показываем, что высокочастотные характеристики переключения TiO2, отраженные во вносимых потерях в включенном состоянии и изоляции в выключенном состоянии, намного превосходят характеристики NiO. Из этих результатов вытекают фундаментальные выводы, которые не только обогащают наше понимание механизма проводимости в бинарных/мультинарных оксидах, но и имеют важное значение для обеспечения возможности широкого использования бинарных/мультинарных оксидов в новых приложениях энергонезависимой памяти и 6G-миллиметровых волн. В качестве примера возможного применения, поддерживаемого TMO, можно привести переменный аттенюатор отражательного типа (RTVA), показанный здесь. Он предназначен для работы на центральной частоте 15 ГГц. Результаты показывают, что он имеет динамический диапазон не менее 18 дБ с максимальными вносимыми потерями 2,1 дБ.

Ожидается, что разработка энергонезависимой памяти (NVM) следующего поколения будет стимулироваться механизмами, не основанными на заряде. Это связано с ограничениями масштабирования памяти на основе заряда, такой как динамическая память с произвольным доступом (DRAM). Память с произвольным доступом (RRAM) с резистивной коммутацией привлекла значительное внимание как один из основных претендентов на замену DRAM из-за низкой сложности изготовления, превосходной скорости переключения и производительности1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Более того, ожидается, что высокие скорости переключения и высокие динамические коэффициенты станут основными движущими силами развития телекоммуникационных систем следующего поколения.

Физический механизм резистивного переключения (RS), основанный на оксидах переходных металлов (TMO), ставит перед физикой твердого тела задачу интерпретации точной природы явлений, приводящих к обратимому переходу из диэлектрического в проводящее состояние, обычно называемому Переход Мотта13. Переход металл–диэлектрик в VO2 в настоящее время считается (гомогенным) объемным явлением25, однако работу РС остальных ТМО можно объяснить образованием и разрывом проводящих нитей, рис. 1 и 2, внутри материала при приложении напряжения смещения постоянного тока или повышении температуры. С этой целью нитевидный механизм проводимости был экспериментально подтвержден путем in-situ измерений токов и напряжений в TinO2n-13,14 и NiO26. Формирование проводящих нитей инициируется в процессе электроформовки5,12 путем приложения напряжения смещения постоянного тока к TMO, что приводит к созданию субстехиометрических проводящих нитей (мягкий диэлектрический пробой), рис. 2b. При изменении направления постоянного напряжения смещения стехиометрия внутренней части ТМО частично восстанавливается, что приводит к разрыву проводящей нити, рис. 2в. Поскольку в этом состоянии ячейка TMO не является гальванически проводящей, это состояние называется состоянием RESET. Ячейка может восстановить свою гальваническую проводимость, повторно подав постоянное напряжение, как показано на рис. 2г — состояние SET.