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Scientific Reports volume 6, numero articolo: 22216 (2016) Citare questo articolo

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SiO2 è lo strato isolante più utilizzato nei dispositivi a semiconduttore. La sua funzionalità è stata recentemente estesa alla memoria ad accesso casuale con commutazione di resistenza, dove il SiO2 difettoso ha svolto un ruolo attivo come strato di commutazione di resistenza (RS). In questo rapporto, i comportamenti RS dipendenti dalla polarità di polarità nella struttura Pt (W/SiO2/Pt) dell'elettrodo superiore W-sputtered SiO2-elettrodo inferiore sono stati esaminati in base allo sweep corrente-tensione (IV). Quando la cella di memoria è stata elettroformata con una polarizzazione negativa applicata all'elettrodo W, la cella di memoria ha mostrato un tipico meccanismo di commutazione elettronica con un rapporto di resistenza di ~100 ed elevata affidabilità. Per l'elettroformatura con polarità di polarizzazione opposta, il tipico RS mediato da difetti ionici (filamento conduttore) è stato osservato con minore affidabilità. Tali meccanismi RS distintivi dipendenti dalla polarità della polarizzazione dell'elettroformatura potrebbero essere ulteriormente confermati utilizzando lo studio dell'illuminazione. Sono stati inoltre fabbricati dispositivi con strutture di elettrodi simili con un sottile strato di Si intermedio tra l'elettrodo di SiO2 e Pt, per migliorare la morfologia del film RS (rugosità quadratica media di ~ 1,7 nm). Le loro prestazioni RS erano quasi identiche a quelle del campione SiO2 a strato singolo con ruvidità molto elevata (rugosità quadratica media di ~10 nm), suggerendo che i comportamenti RS riportati erano inerenti alla proprietà del materiale.

Nei dispositivi a semiconduttore, SiO2 ha configurazioni molto diverse in termini di spessore, resistività, densità e costante dielettrica a seconda dello scopo di utilizzo. Nonostante i diversi aspetti di SiO2, è stato considerato un componente completamente passivo dei dispositivi a semiconduttore grazie al suo ruolo di isolante o strato dielettrico nei componenti capacitivi. Tuttavia, poiché la memoria ad accesso casuale a commutazione di resistenza (RRAM) sta diventando uno dei principali contendenti per la memoria non volatile di prossima generazione, SiO2 insieme ad altri ossidi metallici altamente diversi sono stati testati come strati attivi a commutazione di resistenza (RS). Diversi ossidi di metalli di transizione (TMO), come TiO2, NiO, Ta2O5 e HfO2, sono stati testati come strati RS perché la natura multivalente dei metalli di transizione renderebbe facilmente raggiungibile la RS in questi materiali1,2,3,4 . Inoltre, il cosiddetto dilemma tensione-tempo dei tipici materiali RS ha suscitato interesse nella ricerca di materiali RS alternativi e diversi gruppi hanno testato SiO25,6,7. A causa del legame prevalentemente ionico nei materiali TMO RS, la migrazione ionica guidata dal campo elettrico è più semplice quando il materiale contiene una densità adeguata di difetti ionici. D'altra parte, SiO2 è legato in modo più covalente e manca di un ordine a lungo raggio. Queste differenze nelle proprietà forniscono una memoria SiO2 con numerosi meriti rispetto ad altri materiali TMO RS, come discusso a breve.

Il meccanismo RS comunemente accettato in molti TMO è la formazione e la rottura di filamenti conduttori (CF), che sono un'aggregazione di difetti, come i posti vacanti di ossigeno (VO), la fase di conduzione su scala nanometrica (ad esempio, la fase Magnéli nel TiO2 ), o il filamento metallico (ad esempio Cu) nella cella di metallizzazione elettrochimica (ECM)8,9,10. Indipendentemente dalla natura dettagliata di questi CF, il coinvolgimento di difetti ionici, vale a dire, generazione e migrazione di difetti indotti da campi elettrici (assistita dal riscaldamento Joule) nonché movimento termico (per la rottura in RS non polari), è il fattore critico del funzionamento della memoria. Per il caso di SiO2, il lavoro pionieristico del gruppo di Tour ha mostrato che il meccanismo RS prevedeva la formazione di cluster di Si durante l'elettroformatura e la successiva transizione di fase tra la fase metallica e quella semiconduttiva a seconda della sequenza di polarizzazione11. Questa è una caratteristica critica del sistema RS basato su SiO2, che lo differenzia da altri meccanismi RS basati sul cambiamento di valenza o sulla reazione termochimica di molti materiali TMO, dove la reazione redox reversibile degli ioni metallici costituenti è responsabile della Meccanismo RS. La caratteristica della commutazione non polare del materiale RS a base di SiO2, in cui la tensione per il ripristino [il passaggio da uno stato a bassa resistenza (LRS) a uno stato ad alta resistenza (HRS), o Vreset] è maggiore rispetto alla tensione per il set (la commutazione da un HRS a un LRS, o Vset) può essere attribuita a tale meccanismo di commutazione correlato alla transizione di fase, mentre Vset è superiore a Vreset nei normali sistemi RS basati su TMO11. Il motivo per cui tale comportamento, ovvero una Vreset maggiore di Vset, è peculiare è il seguente. In generale, quasi tutte le celle RRAM hanno una componente di resistenza in serie dovuta, ad esempio, alla resistenza di contatto e alla resistenza del filo di interconnessione, che assorbono una certa porzione della tensione applicata (Va) durante il funzionamento RS. Per il ripristino, la cella RRAM si trova inizialmente in un LRS, quindi richiede una piccola porzione di Va prima della commutazione e una porzione sostanziale di Va viene applicata alla resistenza in serie. Tuttavia, dopo che la cella di memoria è stata ripristinata, la sua resistenza diventa molto più elevata. Quindi la tensione sulla memoria aumenta bruscamente perché la parte della tensione applicata al resistore in serie viene ora scaricata nella memoria. Se l'entità del resistore in serie fosse elevata, anche la tensione scaricata sarebbe elevata, il che potrebbe rendere la tensione della cella di memoria addirittura superiore a Vset. Ciò ripristina istantaneamente la cella di memoria, il che significa che in questo caso non è probabile un ripristino stabile. Kim et al. ha chiarito i dettagli di tale difficoltà12. Pertanto, se il Vreset di una determinata cella di memoria è superiore al suo Vset, tale problema potrebbe aggravarsi ulteriormente. Tuttavia, è istruttivo ricordare che i materiali di memoria a cambiamento di fase hanno generalmente un Vreset più elevato di Vset, dove le transizioni di fase reversibili indotte dall'energia termica dei materiali a cambiamento di fase sono responsabili della commutazione ripetibile13. Poiché la RS nella RRAM basata su SiO2 è attribuita alla transizione di fase reversibile dei cluster di Si tra la fase metallica e quella semiconduttiva, potrebbe esserci la possibilità che un meccanismo simile funzioni, sebbene non possa essere ancora compreso con precisione. Anche il film di SiO2 spruzzato reattivamente utilizzato in questo studio ha mostrato una caratteristica simile a quella del caso dell'operazione di commutazione non polare. Tuttavia, la sua affidabilità era piuttosto bassa (erano possibili solo diverse decine di cicli di commutazione) e quindi non è stata studiata seriamente. Piuttosto, è stata tentata l'operazione di tipo bipolare, che ha mostrato una commutazione affidabile almeno ~ 3.000 volte anche nel caso peggiore.