Исследование многоуровневой памяти с переключением сопротивления и зависящей от состояния памяти фотоэдс в переходах Pt / Nd:SrTiO3

Фон

SrTiO ₃ (STO) - изолятор с большой шириной запрещенной зоны (3,2 эВ). Считается модельным перовскитным материалом из-за его простой кубической структуры в широком диапазоне температур [1]. STO обладает прекрасными фотоэлектрическими характеристиками, которыми можно напрямую управлять путем легирования переходным металлом донорного или акцепторного типа. Спектр применения системы STO очень широк [2, 3]. В последнее время система STO привлекла большое научное внимание из-за явления резистивного переключения (RS), которое можно рассматривать как хороший кандидат для создания резистивной оперативной памяти (RRAM) [4, 5].

Устройство RS на основе STO обычно представляет собой конструкцию металл / STO / металл. КР-свойства системы STO, т.е. от акцепторно-легированного STO до донорного, широко исследуются. Были предложены различные физические механизмы для объяснения поведения переключения. Для легированного акцепторами (например, Fe и Cr) STO в работах подчеркивается изменение свойств в объеме кристалла, в котором RS объясняется миграцией кислородных вакансий под действием электрического поля, либо быстрым переносом кислородных вакансий вдоль дислокаций. или образование кислородно-вакансионного массива под действием высокого электрического напряжения [6,7,8,9,10,11]. С другой стороны, для устройства RS на основе донорного легированного (например, Nb) STO контакт типа Шоттки между металлом и Nb:STO n-типа необходим и подчеркивается во многих работах. Однако некоторые сообщения связывают RS с изменениями слоя обеднения электронами в переходах металл / Nb:STO, что вызвано стехиометрией кислорода в тонком межфазном слое [12,13,14] или отклонением от номинальной стехиометрии катионов. в приповерхностной области [15, 16], и некоторые сообщения предполагают, что межфазный барьер остается неизменным во время процесса RS, но проводящие нити играют жизненно важную роль в изменении сопротивления [17,18,19].

Принимая во внимание вышеизложенное, очевидно, что не было единого мнения о механизме переключения STO донорного типа. До сих пор сосуществуют два взгляда на изменение границы раздела фаз и объемное сопротивление. Что касается конкретных причин RS, существует еще много сообщений о физических механизмах. Непонятный физический механизм препятствует развитию RRAM на основе материала STO. Для выяснения механизма RS и разработки устройства RRAM на основе системы STO донорного типа целесообразно изучить различные материалы STO, легированные металлами.

Электронные транспортные свойства STO можно модулировать путем легирования переходным металлом [20]. По сравнению с тонкими пленками, монокристаллы обладают однородными свойствами по всей площади и хорошо зарекомендовавшими себя физикой и химией дефектов. До сих пор мы обнаружили только легированные донорами монокристаллы STO с элементом Nb, зарегистрированные для устройств RS. Для монокристаллов STO, легированных неодимом (Nd:STO), ионный радиус Sr ²⁺ , Ti ⁴⁺ , и Nd ³⁺ (Nd ²⁺ ) составляет 0,118, 0,0605 и 0,0983 (0,129) нм соответственно, что позволяет предположить, что Nd ³⁺ можно легко заменить Sr ²⁺ а не Ti ⁴⁺ из-за схожего радиуса между Nd ³⁺ и Sr ²⁺ [21]. Этот сайт замещения отличается от Nb:STO n-типа. Итак, монокристалл Nd:STO является легированным донором материалом и имеет проводимость n-типа, что позже будет подтверждено эффектом Холла. Монокристалл Nd:STO - это новый STO n-типа для RS, и мы пока не нашли опубликованных работ.

Общеизвестно, что фотоэлектрический эффект связан с внутренним электрическим полем [22,23,24,25,26]. Таким образом, ожидается, что эффект PV будет зависеть от состояний памяти, если RS в основном определяется обедненным слоем около металла и интерфейса STO n-типа. И наоборот, PV не имеет отношения к состояниям памяти, если RS индуцируется проводящими нитями. В данной работе на монокристалле Nd:STO n-типа были изготовлены Pt-электроды с контактом Шоттки и In-электроды с омическим контактом. Для выяснения механизма переключения устройства Pt / Nd:STO / In изучались вместе RS-память и эффект PV. Интересно, что результаты ясно показывают, что устройство Pt / Nd:STO / In имеет многоуровневую память и эффект PV, управляемый состоянием памяти, который может модулироваться переключающим смещением. Результаты показывают, что общий механизм для RS и PV относится к модуляции барьера на границе раздела Pt / Nd:STO, которая вызывается введением и захватом или удалением носителей.

Методы

Монокристаллы Nd:STO (100) размером 5 мм × 5 мм × В качестве подложки было выбрано 0,5 мм с легированием 0,05 мас.% Неодима. Электроды In (оранжевые) непосредственно прижимались к шероховатой поверхности Nd:STO с образованием омических контактов. Pt-электроды диаметром 0.1 мм напылялись на монокристалл Nd:STO через теневую маску (синие электроды). Расстояние между двумя близко расположенными Pt-электродами составляло 0,5 мм. На вставке к рис. 2a показана конфигурация устройств Pt / Nd:STO / In и In / Nd:STO / In. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) и RS измерялись на приборе Keithley 2400 SourceMeter. Положительное электрическое поле определяется как ток, протекающий от In к Pt-электроду.

Эффект Холла был выполнен с использованием системы измерения Холла Ecopia HMS-3000 для исследования концентрации носителей заряда, вызванной легированием неодимом. Кристаллическую структуру STO исследовали с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD, Bruker, D8-Advance) с использованием излучения Cu Kα. Измерения комбинационного рассеяния света проводились на конфокальном спектрометре микро-комбинационного рассеяния света (Renishaw R-1000) с использованием видимого лазерного света с длиной волны 632,8 нм в качестве источника возбуждения.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а представлены рентгенограммы нелегированных монокристаллов STO и Nd:STO. Все пики соответствуют фазе перовскита и могут быть отнесены к кубической пространственной группе Pm3m с постоянной решетки a ≈ 3.905 Å. Пики не показывают каких-либо наблюдаемых изменений после имплантации неодима, что указывает на то, что легирование неодимом мало влияет на объемную структуру. Рамановские спектры нелегированных монокристаллов STO и Nd:STO представлены на рис. 1б. Спектры комбинационного рассеяния нелегированного STO показывают две отчетливые широкие полосы, обусловленные рассеянием второго порядка, с центрами 200–400 см ⁻¹ . и 600–800 см ⁻¹ и принадлежит к идеальной кубической структуре перовскита. Положение этих двух полос согласуется с литературными данными [27, 28]. Также наблюдается уширенная линия с уменьшенной широкой полосой второго порядка в Nd:STO, что указывает на более слабую центросимметрию в результате локального беспорядка, вызванного легированием Nd. Сравнивая с рентгенограммами, результаты комбинационного рассеяния показывают, что на поверхности монокристалла Nd:STO существуют некоторые структурные дефекты, которые должны быть вызваны легированием неодимом.

а Диаграммы XRD и b Рамановские спектры нелегированного STO и монокристалла STO, легированного неодимом

Как известно, нелегированный монокристалл STO является изоляционным материалом. Для исследования влияния легирования неодимом на электрические свойства монокристалла STO был измерен эффект Холла. Результаты Холла показывают, что монокристалл Nd:STO имеет проводимость n-типа, а концентрация носителей составляет около 2 × 10 ¹⁹ см ⁻¹ . Такая проводимость n-типа может быть связана с замещением Nd ³⁺ в Sr ²⁺ сайтов.

На вставке к рис. 2a схематически показаны устройства In / Nd:STO / In и Pt / Nd:STO / In. Я - V Характеристики устройств In / Nd:STO / In и Pt / Nd:STO / In показаны на рис. 2a, b соответственно. Сканирующее напряжение подавалось как 0 В → 5 В → 0 В → - 5 В → 0 В с током согласования 50 мА. Устройство In / Nd:STO / In имеет линейный I - V кривые (показаны на рис. 2a) и демонстрируют хороший омический контакт между прессованными электродами In и монокристаллом Nd:STO, но не проявляют эффекта RS, в то время как устройство Pt / Nd:STO / In демонстрирует обратимые свойства RS, как показано на Рис. 2б. Когда приложенное напряжение увеличивается, происходит переход сопротивления, направление перехода зависит от полярности приложенного напряжения. Когда приложенное напряжение уменьшается, состояние высокого и низкого сопротивления (HRS и LRS) будет поддерживаться, указывая на то, что состояние сопротивления является стабильным и энергонезависимым после пласта. Большой I - V гистерезис показывает, что устройство Pt / Nd:STO / In имеет свойства памяти; поведение прототипа диода указывает на то, что барьер Шоттки формируется на границе раздела Pt и n-типа Nd:STO и доминирует над сопротивлением устройства Pt / Nd:STO / In. Таким образом, легко сделать вывод, что RS-эффект устройства Pt / Nd:STO / In происходит от интерфейса Шоттки между монокристаллами Pt и Nd:STO. Этот результат, RS зависит от интерфейса Шоттки, согласуется с нашими опубликованными работами по монокристаллу Nb:STO n-типа [29].

Я - V характеристики а In / Nd:STO / In и b Pt / Nd:устройства STO / In в диапазоне напряжений от 0 В → 5 В → 0 В → - 5 В → 0 В с током согласования 50 мА. На вставке схематическое изображение устройства

Чтобы оценить возможность применения устройства Pt / Nd:STO / In в многопозиционной памяти, было исследовано влияние ширины и амплитуды импульса на состояния сопротивления, которое показано на рис. 3a – c. Сначала устройство было настроено на LRS с помощью импульса -5 В с шириной 100 мс, а затем подавалось импульсом + 5 В с различной длительностью импульса 100 нс, 10 мкс и 10 мс соответственно. Сопротивление считывалось при 0,1 В. Соответствующий переход сопротивления от LRS к промежуточным состояниям сопротивления или HRS был достигнут, как показано на рис. 3a. На рисунке 3b показаны последовательные циклы RS от HRS до LRS, индуцированные импульсами противоположной полярности. Результаты подтверждают, что многоуровневое сопротивление может быть получено импульсным напряжением разной длительности. Свойство удерживания каждого состояния сопротивления было дополнительно исследовано, и никаких значительных изменений в величинах сопротивления не наблюдалось (показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1). На рис. 3в представлены типичные схемы энергонезависимой резистивной памяти, управляемые импульсным напряжением. Устройство Pt / Nd:STO / In сначала было установлено на LRS с помощью импульса - 3 В с последующим изменением импульсного напряжения до + 2 В (или + 3, + 4 и + 5 В) и обратно до - 3. V с длительностью импульса 100 мс. Было считано, что сопротивление равно 0,1 В. Последовательность промежуточных состояний сопротивления может быть достигнута путем регулировки амплитуды импульса. Из рис. 3a – c мы имеем результат, что многоуровневое состояние сопротивления устройства Pt / Nd:STO / In может быть достигнуто путем регулировки ширины или величины импульса, что указывает на то, что устройство ведет себя как мемристор [23, 30 ].

Последовательные циклы RS a из LRS в HRS и b из HRS в LRS. Сначала устройство было настроено на LRS (HRS) с помощью импульса - 5 В (+ 5 В) с шириной 100 мс, а затем подавалось импульсом + 5 В (- 5 В) с различной длительностью импульса 100 нс, 10 мкс, и 10 мс соответственно. Соответствующий переход сопротивления от LRS (HRS) к промежуточным состояниям сопротивления или HRS (LRS). c R - V петли гистерезиса, управляемые импульсным напряжением. Устройство Pt / Nd:STO / In сначала было установлено на LRS с помощью импульса - 3 В с последующим изменением импульса до + 2 В (или + 3, + 4 и + 5 В) и обратно до - 3 В. с шириной импульса 100 мс. Все сопротивления считывались при 0,1 В

Общеизвестно, что фотовозбуждение носителей заряда происходит, когда длина волны излучения совпадает с оптической шириной запрещенной зоны активного материала. Генерируемые электроны и дырки будут разделены внутренним электрическим полем, что приведет к эффекту PV [23,24,25]. В случае устройства Pt / Nd:STO / In, если состояния многоуровневой памяти в основном определяются слоем истощения около интерфейса Pt / Nd:STO, ожидается, что эффект PV будет зависеть от состояний памяти устройство. Напротив, PV не имеет отношения к состояниям памяти, если слой истощения остается неизменным во время процесса RS. Что еще более интересно, мы обнаружили зависящий от состояния памяти эффект PV для устройства Pt / Nd:STO / In. На рис. 4а, б показан I - V кривые в режиме малого смещения (от -0,6 до +0,6 В) после переключения серией импульсов от + 1 до + 5 В с длительностью 100 мс (переключение из LRS в состояния промежуточного сопротивления и в HRS) при светлом освещении и в темноте , соответственно. При световом освещении I - V Кривые HRS демонстрируют заметные сдвиги по оси напряжения, а напряжение холостого хода (Voc) (напряжение при нулевом токе) достигает ~ 135 мВ. В соответствии с серией промежуточных состояний сопротивления Voc постепенно уменьшается с уменьшением сопротивления устройства и пренебрежимо мал для LRS. В то время как для I наблюдался небольшой сдвиг - V кривые, измеренные в темноте. Аналогичный результат был получен Hu et al. [23]. Более того, метод тестирования Voc был описан Shang et al. [24,25,26]. Согласно этому методу, Voc дополнительно измеряли в LRS и HRS. Как и ожидалось, повышение напряжения вызывается световым освещением, а Voc зависит от сопротивления перехода (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S2). Приведенные выше результаты свидетельствуют о том, что величина Voc зависит от состояний памяти устройства Pt / Nd:STO / In.

Я - V кривые в режиме низкого смещения (от -0,6 до +0,6 В) после переключения серией импульсов напряжения от + 1 до + 5 В с длительностью 100 мс (переключение из LRS в состояния промежуточного сопротивления и в HRS) при a световое освещение и b темные соответственно

Многоуровневая память и зависящий от состояния памяти эффект PV устройства Pt / Nd:STO / In однозначно предполагают, что состояния памяти в основном определяются слоем истощения вблизи интерфейса Pt / Nd:STO. Другими словами, ширина и высота барьера Шоттки вблизи границы Pt / Nd:STO будет модулироваться с помощью качающегося напряжения. Согласно результатам комбинационного рассеяния света на рис. 1б, на поверхности Nd:STO существуют дефекты (например, кислородные вакансии). Когда на устройство подавалось отрицательное напряжение или импульс, инжектированные электроны из In-электрода захватывались дефектами на границе Pt / Nd:STO. Захваченные электроны приводят к более узкому и более низкому барьеру Шоттки, что приводит к LRS. Напротив, во время приближающейся развертки положительного смещения захваченные электроны высвобождаются из-за существования области обеднения, что приводит к HRS. Кроме того, пространственное распределение дефектов должно быть неравномерным. Пиннинг Ферми может быть сформирован на дефекте высокой плотности, поэтому HRS и LRS могут сохраняться, когда приложенное смещение устранено. Уровень истощения можно регулировать шириной или величиной импульса, поэтому наблюдались состояния многоуровневой памяти. На рисунке 5 показана схематическая диаграмма процесса захвата или удаления электронов на интерфейсе Pt / Nd:STO.

Принципиальная схема структуры энергетического диапазона и состояния интерфейса Pt / NSTO / In в системе HRS и LRS. Красные полые и сплошные сферы на интерфейсе представляют собой незанятое и занятое состояние интерфейса соответственно

Эффект PV, зависящий от состояния памяти, вызван разной шириной и высотой интерфейсного барьера Pt / Nd:STO в разных состояниях памяти. HRS с более широкой областью обеднения приводит к большему количеству электронно-дырочных пар, генерируемых в области обеднения при световом освещении. Фотогенерированные электроны перемещаются в объем Nd:STO за счет сильного изгиба зон вверх в HRS, а дырки туннелируют через барьер, что приводит к более высокому Voc. И наоборот, LRS с более низкой и более узкой областью истощения приводит к более низкому Voc. В общем, Voc зависит от ширины и высоты интерфейсного барьера, которые соответствуют состояниям многоуровневой памяти устройства Pt / Nd:STO / In.

Обратите внимание, что как состояния памяти, так и эффект PV демонстрируют аналогичную зависимость от переключающего смещения, указывая на общий механизм, связанный с обеднением / накоплением электронов на интерфейсе Nd:STO, показывая важность интерфейсного барьера и перераспределения заряда на интерфейсе (рис. 5). Эффект PV вызывается фотогенерированными электронами и дырками, разделенными внутренним электрическим полем. Таким образом, зависящий от состояния памяти эффект PV, наблюдаемый в устройстве Pt / Nd:STO / In, свидетельствует о том, что RS индуцируется модуляцией барьера Шоттки на границе Pt / Nd:STO, вызванной смещением, а не образованием проводящих нитей. Voc зависит от состояний памяти, поэтому такой эффект PV, зависящий от состояния сопротивления, обеспечивает новый путь с использованием Voc для определения состояний памяти устройства RS в дополнение к обычным показаниям сопротивления [23]. Этот новый способ чтения является неразрушающим и надежным, поскольку световое освещение не изменяет состояние памяти устройств.

Выводы

Таким образом, мы исследовали RS и PV характеристики монокристаллических мемристивных устройств на основе Nd:STO. Эффект RS связан с переходом Шоттки вблизи границы раздела Pt и монокристалла Nd:STO n-типа. Состояния памяти можно модулировать шириной или величиной импульса. Зависящий от состояния памяти эффект PV устройства Pt / Nd:STO / In достигается за счет напряжения переключения. Эти дополнительные эффекты приписываются вызванной смещением модуляции интерфейсного барьера как по высоте, так и по ширине на интерфейсе Pt / Nd:STO, что вызвано инжекцией носителей и процессом захвата / удаления на интерфейсе Pt / Nd:STO. . Результаты устанавливают прочную связь между эффектами RS / PV и модуляцией интерфейса Nd:STO, инициируемой приложенным электрическим полем, и обеспечивают новый маршрут с использованием Voc для неразрушающего определения нескольких состояний энергонезависимой памяти.

Сокращения

HRS:

Состояние высокого сопротивления

I - V :

Ток-напряжение

LRS:

Состояние низкого сопротивления

PV:

Фотоэдс

RRAM:

Память с произвольным доступом сопротивления

RS:

Переключение сопротивления

XRD:

Рентгеновская дифракция