Inžinerinis sąsajos tipo varžinis perjungimas bifeo3 plonos plėvelės jungikliuose implantuojant apatinius elektrodus | mokslinės ataskaitos

Inžinerinis sąsajos tipo varžinis perjungimas bifeo3 plonos plėvelės jungikliuose implantuojant apatinius elektrodus | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Elektroniniai ir spintroniniai įtaisai
  • Elektroniniai prietaisai

Anotacija

Ant safyro pagrindų buvo pagamintos „BiFeO 3“ pagrindu pagamintos MIM struktūros su Ti implantuotais Pt dugno elektrodais ir „Au“ viršutiniais elektrodais. Gautos metalo izoliatoriaus-metalo (MIM) struktūros rodo bipolinį varžinį perjungimą be elektroformavimo proceso. Akivaizdu, kad BiFeO 3 plonos plėvelės metu Ti difuzija pasiskirsto BiFeO 3 sluoksnyje. Pasklidęs Ti efektyviai sulaiko ir išlaisvina laisvas deguonies vietas, todėl stabilizuoja varžinį jungimąsi BiFeO 3 MIM struktūrose. Todėl, naudojant apatinio elektrodo Ti implantaciją, sulaikymo charakteristikas galima žymiai pagerinti padidinus Ti sklandumą. Naudojant rastriniu būdu nuskaitytą Ti implantavimą, šoninis Ti pasiskirstymas nėra pakankamai homogeniškas, o ištvermė šiek tiek pablogėja, kai Ti skystis. Vietinis varžinis perjungimas, ištirtas srovės jutiklinės atominės jėgos mikroskopu, rodo, kad yra galimybė sumažinti varžos perjungimo elementą iki vieno BiFeO 3 grūdelių dydžio, lokaliai implantuojant apatinį elektrodą Ti.

Įvadas

Nepraeinantis varžinis jungimasis pastebėtas daugelyje medžiagų sistemų, sudarytų iš paprastos struktūros, kurią sudaro tik metalo izoliatoriaus (arba puslaidininkio) metalo (MIM) sumuštinis pluoštas. 1 Rezistinio komutavimo inžinerija sulaukė didelio dėmesio dėl galimo MIM struktūrų taikymo naujos kartos nekintamojoje atmintyje 1, 2, 3, perkonfigūruojamoje nekintamojoje logikoje 4, 5 ir duomenų šifravime 6 . Naujausi intensyvūs tyrimai leido giliai suprasti varžų jungimosi mechanizmus oksiduose. Yra bendras sutarimas dėl jonų migracijos (deguonies laisvų vietų migracijos) vaidmens pritaikytame elektriniame lauke, kuris skatina laidžių gijų susidarymą ir plyšimą gijinio tipo oksidinių varžų jungikliuose 7, 8, 9, 10 ir kurie sukelia grįžtamąjį barjerų aukščio pokytį sąsajos tipo atsparių oksidų jungikliuose 5, 11, 12, 13, 14 . Pranešama, kad jonų migracija yra susijusi su metalinių atomų šilumine difuzija iš aktyvių dugno / viršutinių metalų elektrodų, pvz., Cu 15, 16, Ag 16, 17, Ni 18 ir Al 19, ar net iš sukibimo sluoksnio. po apatiniais elektrodais, pvz., Ti 20, 21, 22 . Išsklaidyti metalo atomai gali būti oksiduoti ir sujungti į plonas oksido plėveles 23, o sukurti katijonai gali arba sukelti indukcines deguonies laisvas vietas, kurios juda plonose oksido plėvelėse 20, 21, 22, arba pačios migruoja veikiamame elektriniame lauke 15, 16, 17, 18, 19 . Kitaip tariant, difuziniai metalo atomai sudaro nanoskalės perjungimo centrus varžiniuose jungikliuose 20 . Tačiau techniškai metalo difuzija iš apatinių elektrodų ar sukibimo sluoksnio dažnai yra blogai kontroliuojama ir riboja metalinių medžiagų, naudojamų apatiniams elektrodams, galimybes. Be to, metalinė difuzija dažnai įvyksta per visą plokštelių lustą, o tai prieštarauja papildomai su metalo oksido puslaidininkių (CMOS) suderinamai technologijai.

„BiFeO 3“ (BFO) buvo intensyviai tiriamas kaip atsparus oksidams jungiklis 24, 25, 26, 27, 28, 29 dėl savo patrauklių fizikinių savybių, pvz., Ferroelektrinio ir fotoelektrinio efekto 30, 31, kuris suteikia galimybę integruoti daugialypius - funkcionalumas į vieną įrenginį. Ankstesniuose mūsų darbuose 2, 32, 33, 34, 35, 36 BFO plonos plėvelės ant Pt / Ti / Sapphire arba Pt / Ti / SiO 2 / Si substratų rodo puikius bipolinius varžinius jungimo parametrus, tokius kaip laisvas daugiaformis elektroformavimas., ilgas sulaikymo laikas ir stabili ištvermė, kurioje svarbų vaidmenį vaidina Ti difuzija iš apatinių elektrodų, nusodinant BFO ploną plėvelę. Buvo paaiškintas modifikuotų Schottky barjerų aukščių modelis, paaiškinantis bipolinio varžinio jungimosi plonasluoksnėse BFO plėvelėse, kuriose jonizuotos deguonies laisvos vietos (

Image

) ir difuzinis Ti atitinkamai veikia kaip mobilūs ir fiksuoti donorai. Mobilusis

Image
donorai yra perskirstomi pagal rašymo nuokrypį, kuris keičia Schottky barjero aukštį apatinėje sąsajoje, o fiksuoti Ti donorai gali sulaikyti mobilųjį telefoną
Image
donorai po rašymo proceso, kad stabilizuotų varžinį perjungimą. Šiame darbe parodyta, kad Ti difuzija gali būti suprojektuota prieš nusodinant BFO ploną plėvelę Ti implantuojant Pt dugno elektrodą ant safyro substratų. Tai suteikia galimybę geriau suprasti fiksuotų Ti donorų vaidmenį keičiant BFO plonasluoksnes plokštes.

Metodai

Pt (100 nm) / safyro substratų Ti implantacija buvo atliekama kambario temperatūroje, kai jonų energija buvo 40 keV ir Ti sklidės. Vėliau BFO plonos plėvelės, kurių storis 460 nm, buvo nusodintos ant Ti implantuotų Pt / Sapphire substratų impulsiniu lazeriniu nusodinimu (PLD). PLD proceso metu nominalus lazerio energijos tankis, lazerio pasikartojimo greitis, deguonies aplinkos slėgis ir augimo temperatūra buvo atitinkamai 2, 6 J / cm2, 10 Hz, 0, 013 mbar ir 650 ° C. Po PLD proceso BFO plonos plėvelės in situ pateptos 390 ° C temperatūroje, esant deguonies aplinkos slėgiui 200 mbar, 60 minučių. Po nusodinimo DC magnetrono pagalba kambario temperatūroje naudojant metalinę šešėlinę kaukę buvo paruošti apvalūs Au viršutiniai kontaktai, kurių plotas 0, 045 mm 2 ir storis 110 nm. Taigi buvo pagamintos „Au-BFO-Pt MIM“ struktūros su daugybe Ti gijų. Pavyzdžio pagaminimo proceso scheminiai eskizai ir pavyzdžio struktūra nurodyti S1 paveiksle papildomoje informacijoje.

Elektriniai matavimai buvo atlikti naudojant Keithley šaltinio matuoklį. Skrydžio laiko antrinės jonų masės spektrometrijos (Tof-SIMS) matavimams mes panaudojome IONTOF TOF-SIMS 5 įrangą su O2 dulkių pluoštu (2000 eV) ir Bi analizės pluoštu (25000 eV). Kraterio dydis buvo 300 μm × 300 μm. Atominės jėgos mikroskopijos (AFM) topografija ir srovę jautrus AFM (CsAFM) matavimai buvo atlikti naudojant Agilent Technologies 5420 skenavimo zondo mikroskopą.

Rezultatai ir diskusijos

Ti pasiskirstymas ir plėvelių morfologija

Ti pasiskirstymas Pt / Safyre po Ti implantacijos buvo įvertintas pagal sustabdymo ir jonų diapazoną medžiagoje (SRIM), 2013 m. Kodas 37, 38 . Numatomos implantuotų Ti jonų koncentracijos kaip gylio funkcija Pt / Sapphire, esant skirtingiems Ti svyravimams, parodytos S2 paveiksle papildomoje informacijoje. Galima pastebėti, kad Ti jonai pasiskirsto 50 nm spinduliu žemiau Pt sluoksnio paviršiaus ir susidaro koncentracijos smailė ~ 10 nm gylyje. Atkreipkite dėmesį, kad SRIM kaip statinę Monte Karlo programą Ti pasiskirstymą galima įvertinti tik darant prielaidą, kad pradinė Pt / Sapphire stechiometrija yra išsaugota. Pt dulkinimo išeiga 9, 36 Pt buvo apskaičiuota pagal 2013 m. SRIM, kuris rodo, kad maždaug 15% Pt atomų galėtų būti išpurškiami esant Ti koncentracijos smaigai, kai Ti skystis būtų 5 × 10 16 cm −2 . Eksperimentiškai Pt sluoksnis buvo visiškai pašalintas, kai dar labiau padidėjo Ti skystis, pvz., 1 × 10 17 cm –2 . Ti implantacijos poveikis Pt / safyro paviršiaus morfologijai buvo ištirtas AFM būdu, kaip parodyta 1 pav. Pt grūdai, kurių tipinis dydis yra 80 nm, atsitiktine tvarka pasiskirsto po nesugadintą Pt / safyrą, o vidutinis aritmetinis šiurkštumas (Ra) yra 3, 98 nm. Po Ti implantavimo esant mažam 5 × 10 15 cm − 2 sklandumui šiurkštumas sumažėja iki 2, 24 nm. Toliau padidinant sklandumą iki 1 × 10 16 cm – 2, šiurkštumas sumažinamas iki 1, 15 nm, tai gali būti dėl įtempių atsipalaidavimo tarp grūdų, kuriuos sukelia energija, kurią kaupia implantuoti Ti jonai. Tačiau toliau padidinant Ti sklandumą iki 5 × 10 16 cm −2, tipinis Pt grūdelių dydis dramatiškai padidėja iki 170 nm, o tai gali atsirasti dėl netinkamo sukeltos grūdų aglomeracijos. Todėl šiurkštumas padidėja iki 4, 99 nm. Panaši paviršiaus šiurkštumo priklausomybė nuo jonų sklidimo taip pat pastebėta plonosioms ZnO plėvelėms, apšvitintoms Au jonais 39 .

Image

Trimačiai nesugadinto Pt / Safyro (a) ir Ti implantuoto Pt / safyro AF matominiai topografiniai vaizdai, kurių Ti tankis yra 5 × 10 15 cm – 2 (b), 1 × 10 16 cm – 2 (c), ir 5 × 10 16 cm −2 (d). Nuskaitymo dydis yra 3 × 3 μm 2 . Vidutinis aritmetinis šiurkštumas (Ra) yra atitinkamai 3, 98 nm, 2, 24 nm, 1, 15 nm ir 4, 99 nm. AFM spalvų skalė (dešinė pusė) rodo informaciją apie aukštį.

Visas dydis

Tikimasi, kad Ti migracija į BFO sluoksnį yra efektyvesnė ties BFO grūdų ribomis ir vyksta PLD proceso metu esant 650 ° C 40 . 2 paveiksle pavaizduoti TF-SIMS BFO plonos plėvelės intensyvumo ir laiko profiliai ant Ti implantuoto Pt / safyro, kurio Ti skystis yra 5 × 10 16 cm −2, vaizduojantis Au, Bi, Fe, Ti, Pt ir Al jonų intensyvumą. kaip dulkinimo laiko funkcija. Akivaizdu, kad Ti intensyvumo profilis yra platesnis, palyginti su kitais metaliniais elementais, o tai rodo, kad Ti išsisklaidė į BFO plonas plėveles PLD proceso metu ir kad Ti koncentracijos gradientas buvo sukurtas BFO augimo kryptimi. Ti difuzija į BFO taip pat buvo pastebėta ankstesniuose mūsų darbuose BFO plonose plėvelėse ant Pt / Ti / safyro arba Pt / Ti / SiO 2 / Si substratų, kurios vaidina lemiamą vaidmenį keičiant BFO plonasluoksnes plėveles 36, 40 . Šiose MIM struktūrose Pt sluoksnis tarnauja ne tik kaip apatinis elektrodas, bet ir kaip difuziją slopinantis sluoksnis, siekiant užkirsti kelią stipriai Ti difuzijai į BFO sluoksnį BFO nusodinimo metu 650 ° C temperatūroje. Todėl įgyvendinama optimali fiksuotų Ti donorų koncentracija ir prie BFO / Pt / Ti sąsajų galima suformuoti derinamą Schottky barjerą. Tikimasi, kad mažiau Ti difunduoja į BFO sluoksnį MIM struktūrose su Pt dugno elektrodais, kuriems yra implantuotas mažesnis Ti skystis. Ant Ti implantuoto Pt / safyro BFO plonų plėvelių paviršiaus morfologija buvo apibūdinta atliekant AFM matavimus, kurių nuskaitymo dydis buvo 3 × 3 μm 2 (papildoma informacija, S3 pav.). BFO plonų plėvelių vidutinis aritmetinis paviršiaus šiurkštumas yra atitinkamai 12, 5 nm, 9, 54 nm ir 13, 1 nm, kai Ti srautas yra atitinkamai 5 × 10 15 cm – 2, 1 × 10 16 cm – 2 ir 5 × 10 16 cm – 2 . .

Image

Visas dydis

Varžinės perjungimo charakteristikos

Srovės įtampos (IV) matavimai buvo atlikti naudojant Keithley 2400 šaltinio matuoklį. Schemos schema apie elektrinių matavimų konfigūraciją yra pavaizduota S1 paveiksle papildomoje informacijoje, kurioje įtampa buvo įtempta ant viršutinio Au elektrodo ir Ti-implantuotas Pt apatinis elektrodas buvo įžemintas. Kaip parodyta 3 pav., IV savybių, gautų iš BFO ant Ti implantuoto Pt / safyro, forma yra gana panaši į tą, kuri buvo aprašyta ankstesniuose mūsų darbuose 2, 32, 33, 34, 35, 36, 40 . IV charakteristikos buvo matuojamos švytuojant įtampą 0 V → +8 V → –8 V → 0 V (juoda kreivė) ir 0 V → –8 V → +8 V → 0 V (raudona kreivė) seka dviem nesugadintiems. atitinkamai MIM struktūrų ląstelės. Abiem atvejais teigiamo poslinkio diapazone egzistuoja aiški IV histerezė ir nepastebėta jokio reikšmingo IV charakteristikų skirtumo, kas rodo, kad rezistiniam perjungimui nereikia elektroninio formavimo proceso. Iš pradžių nesugadintos MIM struktūros rodo aukštą pasipriešinimo būseną (HRS), o žemo pasipriešinimo būseną (LRS) nustato teigiamas poslinkis, o HRS atstatomas neigiamas poslinkis. Tai rodo bipolinį varžinį perjungimą be elektroformavimo MIM struktūroms, turinčioms skirtingas Ti fluorescencijas. Atkreipkite dėmesį, kad BFO plonos plėvelės, nusodintos ant neimplantuotų Pt / Sapphire substratų, nepasižymi skirtinga varžine perjungimo elgsena (papildoma informacija, S4 pav.) 34, 36, 40 . Tame pačiame taikomame poslinkio diapazone (tarp −8 V ir +8 V) nėra akivaizdaus neigiamo poslinkio diapazono srovės skirtumo MIM struktūroms su skirtingais Ti poveikiais, tuo tarpu srovė teigiamo poslinkio diapazone ir įjungimo / išjungimo srovė santykis esant +2 V padidėja didėjant Ti fluentui (papildoma informacija, S5 paveikslas).

Image

Tipiškos IV charakteristikos su skirtinga įtampos šlavimo seka, išmatuotos dviejose nesugadintose ląstelėse ant MIM struktūrų, kurių Ti skystis yra 5 × 10 15 cm –2 (a), 1 × 10 16 cm – 2 (b) ir 5 × 10 16 cm - 2 (c) .Įklotai rodo IV charakteristikas tomis pačiomis įtampos plovimo sekomis, bet skirtinga maksimalia įtampa, matuojama toje pačioje kameroje MIM konstrukcijose. Atkreipkite dėmesį, kad siekiant išvengti sunkaus prietaisų gedimo, didžiausia srovė buvo apribota iki 100 μA. MIM konstrukcijų maksimalios įtampos rinkiniai yra [8, 0 V, 9, 0 V, 10, 0 V], [8, 0 V, 8, 5 V, 9, 0 V] ir [6, 0 V, 7, 0 V, 8, 0 V], kai MIM konstrukcijos turi 5 × 10 Ti tankį. Atitinkamai 15 cm −2, 1 × 10 16 cm −2 ir 5 × 10 16 cm −2 . Skaičiai (1) - (4) ir rodyklės nurodo atitinkamai įtampos valymo sekas ir įtampos valymo kryptis.

Visas dydis

Au ir Pt darbo funkcijos atitinkamai yra 5, 1 eV ir 5, 3 eV. BFO juostos tarpas laikomas 2, 8 eV, o elektronų afinitetas - 3, 3 eV 41, tada n tipo BFO darbo funkcija turėtų būti mažesnė nei 4, 7 eV, o tai rodo, kad juostos lenkimas į viršų BFO viršuje turi būti Au / BFO ir apatinės BFO / Pt sąsajos. Todėl Schottky barjeras gali būti suformuotas tiek iš viršaus, tiek iš apačios. Stebimos BFO pagrindu veikiančių MIM struktūrų varžinės perjungimo charakteristikos gali būti paaiškintos modifikuojamo Schottky barjero aukščio apačioje modeliu, kurį gali suderinti mobilusis įrenginys

Image
veikia kaip mobilūs donorai (papildoma informacija, S6 pav.) 36 . Manoma, kad esant mažesniam Ti sklandumui, apatinėje sąsajoje susidarys didesnis Schottky barjero aukštis, kuris bus aptartas vėliau. Todėl norint judėti, reikalingas didesnis elektrinis laukas
Image
iki apatinės sąsajos, kad būtų sumažintas Schottky barjero aukštis, kad konstrukcijos būtų visiškai sureguliuotos LRS. Tarpikliai 3 pav. Rodo IV charakteristikas esant skirtingai maksimaliai įtampai. IV kreivių keliai neigiamo poslinkio diapazone (3 ir 4 šakos) ir HRS IV kreivės atšaka teigiamų poslinkių diapazone (šaka (1)) yra beveik vienodi, nepriklausantys nuo didžiausios įtampos. Nors IV kreivės LRS atšaka, turinti teigiamo poslinkio diapazoną (2 šaka), yra gerai atskirta viena nuo kitos su skirtinga maksimalia įtampa, tačiau, atsižvelgiant į taikomą maksimalią įtampą, galima pasiekti skirtingą LRS. Tokia daugiapakopė LRS elgsena suteikia galimybę projektuoti kelių bitų atmintį / logiką 33 .

Kaip parodyta 4 pav. (A), sulaikymo testai buvo atlikti pirmiausia nustatant / iš naujo nustatant MIM struktūras LRS / HRS kambario temperatūroje, o tada aptikant srovę mažu +2 V skaitymo poslinkiu kas 2 min. kambario temperatūra (MIM struktūrai, kai Ti skystis yra 5 × 10 16 cm −2, srovės aptikimas taip pat buvo atliktas esant 358 K). Norint visiškai nustatyti / atkurti MIM struktūras LRS / HRS, nustatykite / atstatykite +10 V / −10 V, +9 V / −9 V ir +8 V / −8 V paklaidą, kai impulso ilgis 100 ms. buvo naudojami MIM konstrukcijoms, kurių Ti skystis buvo atitinkamai 5 × 10 15 cm – 2, 1 × 10 16 cm – 2 ir 5 × 10 16 cm – 2 . Kambario temperatūroje visų MIM struktūrų HRS yra santykinai stabilios, o LRS bandymų metu pastebimas skilimas. MIM struktūrų, turinčių mažą Ti svyravimų (tiek 5 × 10 15 cm −2, tiek 1 × 10 16 cm − 2 ) LRS nuolat sulaikymo bandymų metu mažėja, o MIM srovės santykis I LRS / I HRS sumažėja žemiau 10 per 24 valandas, tuo tarpu MIM struktūros, turinčios aukštą Ti sklandumą (5 × 10 16 cm −2 ), LRS išlieka stabili maždaug po 15 valandų. Ekstrapoliuotas I LRS / I HRS srovės santykis gali būti gerai laikomas maždaug 50 daugiau kaip 10 metų, kaip parodyta brūkšniuotosiomis linijomis 4 pav. (A). LRS pokytis yra geriau matomas tiesine laiko ašimi (papildoma informacija, S7 pav.). Net esant aukštesnei kaip 358 K temperatūrai, MIM struktūros LRS, kurio tėkmės tūris yra 5 × 10 16 cm −2, LRS galima stabilizuoti per 24 valandas, o didesnį nei 30 I LRS / I HRS srovės santykį galima gauti daugiau nei 10 metų. Iš pradžių HRS, esant aukštai temperatūrai, šiek tiek suyra. Panašus poveikis buvo pastebėtas ir Au-BFO-Pt / Ti / Sapphire MIM struktūrose, kurį galbūt lėmė perskirstymas

Image
HRS esant aukštesnei temperatūrai 36 .

Image

a ) MIM struktūrų su skirtingais Ti fluentais sulaikymo bandymo rezultatai. Ekstrapoliuotas 10 metų HRS / LRS sulaikymo laikas gali būti išreikštas punktyrinėmis linijomis. ( b ) normalizuota LRS srovė prieš sulaikymo laiką. Skirtingos laiko vertės (I t ) dabartinės vertės normalizuojamos pagal iš pradžių išmatuotą dabartinę vertę (I 0 ). c ) MIM struktūrų, turinčių skirtingą Ti įtaką, patvarumo bandymo rezultatai. d ) LRS / HRS statistinės histogramos ištvermės bandymo rezultatuose.

Visas dydis

4 (b) paveiksle parodyta normalizuota srovė LRS, o tai rodo, kad LRS blogėjimas tampa ryškesnis mažėjant Ti fluentui. LRS

Image
migruoja į apatinę sąsają ir tada pasklinda pasklidęs Ti iš substratų BFO nusodinimo metu, todėl padidėja dopingo koncentracija apatinėje sąsajoje ir sumažėja apatinis Schottky barjero aukštis 36 . LRS skilimas gali būti susijęs su galine difuzija
Image
pritaikius teigiamą rašymo įtampos impulsą, kuris iš dalies sumažina dopingo koncentraciją apatinėje sąsajoje ir iš dalies pradeda atstatyti apatinę Schottky barjerą. Esant mažesniam Ti sklandumui, PLD proceso metu mažiau Ti gali difuzuoti iš karšto Pt dugno elektrodo į BFO sluoksnį. Todėl nepakanka
Image
gali būti efektyviai įstrigęs Ti, o LRS blogai prižiūrima (papildoma informacija, S6 pav.). LRS skilimas MIM struktūroje, kai Ti skystis yra 5 × 10 16 cm −2, yra stipresnis esant padidintai 358 K temperatūrai, nes didėja difuzinis
Image
didėjant temperatūrai. Tai rodo, kad norint sulaikyti mobilųjį telefoną, reikalingas tam tikras minimalus Ti kiekis BFO MIM struktūrose
Image
apatinėje sąsajoje, kad būtų stabilizuotas varžinis perėjimas į LRS.

Kaip parodyta 4 pav. (C), ištvermės bandymai buvo atliekami pakartojant nustatymo / nuskaitymo / atstatymo / nuskaitymo procesą daugiau nei 3 × 10 4 kartus kambario temperatūroje. 4 paveikslo d punkte parodytos LRS / HRS statistinės histogramos ištvermės bandymo rezultatuose. Atliekant ištvermės testus, visos MIM struktūros su skirtingais Ti poveikiais turi santykinai stabilią LRS ir siaurą pasipriešinimo verčių pasiskirstymą LRS. Santykinis LRS svyravimas (standartinis nuokrypis, padalytas iš vidutinės vertės) 42 yra 0, 20%, 0, 91% ir 0, 82% MIM struktūroms, kurių Ti skystis yra 5 × 10 15 cm −2, 1 × 10 16 cm − 2 ir 5. × 10 16 cm −2 . Tačiau pasipriešinimo verčių pasiskirstymas HRS yra daug platesnis nei LRS. Santykinis svyravimas didėja atsižvelgiant į Ti svyravimus, ty 1, 11%, 3, 95% ir 12, 34% MIM struktūroms, kurių Ti kintamumas yra 5 × 10 15 cm −2, 1 × 10 16 cm −2 ir 5 × 10 16. cm −2, atitinkamai. Ištvermę galima pagerinti struktūruojant apatinius elektrodus arba atliekant vietinį Ti implantavimą į apatinius elektrodus 36, 42, 43 .

Schottky barjero aukščio priklausomybė nuo Ti fluence

Nuo temperatūros priklausančios IV charakteristikos (nuo –2 V iki +2 V) buvo išmatuotos Keithley 2636A šaltinio matuokliu (kurio teorinė srovės skiriamoji geba buvo 0, 1 fA) po to, kai MIM struktūros buvo visiškai nustatytos / atstatytos į LRS / HRS (papildoma informacija, S8 pav.). Srovė didėja, kai temperatūra padidėja nuo 253 K iki 353 K. HRS srovė yra maža tiek teigiamų, tiek neigiamų poslinkių diapazonuose, parodant diodo galvų santykį, nes Schottky tipo barjerai susidaro tiek viršutinėje, tiek apatinėje sąsajoje 36. . Apverstą diodo srovę gali valdyti Poole-Frenkel emisija 44, Schottky emisija 44 arba modifikuoti Schottky emisijos mechanizmai 45 . Atitinkami išmetamųjų teršalų koeficientai (papildoma informacija, S9-S10 paveikslas ir S1 lentelė) rodo, kad elektros laidumas atvirkštinio poslinkio sąlygomis atitinka modifikuotą Schottky emisiją, aprašytą modifikuota Richardson-Schottky 45 lygtimi:

Image

kur J , E , m eff , μ , φ ir ε r nurodo atitinkamai srovės tankį, elektrinį lauką, efektyviąją masę, elektronų judrumą, potencialo barjero aukštį ir dielektrinę konstantą. Kiti simboliai turi įprastą reikšmę. Iš (1) lygties Schottky-Simmons grafinę atvaizdą galima gauti esant pastoviai įtampai (elektriniam laukui):

Image

Matomą atitinkamos nuolatinės įtampos (elektrinio lauko) potencialų barjerą galima apskaičiuoti pagal ln (J / T 3/2 ) ~ 1 / T vaizdavimo nuolydį, kuris suteikia tiesę. MIM struktūrų, turinčių skirtingą Ti įtaką, temperatūros priklausomos IV charakteristikos buvo pakartotinai pavaizduotos Schottky-Simmons vaizduojant ln (J / T 2/3 ) ~ 1 / T esant įtampai ± 0, 8 V, ± 1, 0 V, ± 1, 2 V, ± 1, 4 V ir ± 1, 6 V. Buvo gauta tiesinė jungtis tiek neigiamo, tiek teigiamo poslinkio diapazone (papildoma informacija, S11 pav.). 5 pav. (A) parodytas akivaizdusis potencialo barjero aukštis (φ HRS ), apskaičiuotas pagal linijinės armatūros nuolydį braižant ln (J / T 2/3 ) ~ 1 / T kaip | V | 1/2 . Kliūties aukštį viršutinėje sąsajoje galima gauti atliekant brėžinį neigiamų įtampų diapazone (V0 V). Kaip parodyta 5 pav. (A), didėjant atvirkštiniam poslinkio laipsniui tiek viršutinėje, tiek apatinėje Šotkio barjero aukštis mažėja MIM struktūrose esant mažam Ti fluentui (5 × 10 15 cm – 2 ir 1 × 10 16 cm – 2 ), o Padidėja MIM struktūros barjerinis aukštis, kurio Ti skystis yra 5 × 10 16 cm −2 . Schottky barjero aukštis priklauso nuo dopingo koncentracijos ir taikomo atvirkštinio poslinkio, ty Schottky barjero aukštis mažėja didėjant atvirkštiniam poslinkiui, jei maža dopingo koncentracija, bet padidėja, jei dopingo koncentracija yra didelė 46 . Esant didesniam Ti fluidentui, daugiau Ti difunduoja į BFO PLD proceso metu, o kaip paruošta BFO plona plėvelė turi didesnę dopingo koncentraciją. Todėl pateikiami skirtingi Schottky barjero aukščio pokyčiai. Potencialų barjerą esant nuliniam poslinkiui galima išgauti iš linijinės jungties pertraukimo į tariamą potencialo barjero aukštį kaip | V | 1/2 . Manoma, kad aukščiausias Šotkio barjero aukštis ( φ t-HRS ) yra 0, 47 eV, 0, 43 eV ir 0, 30 eV, kai MIM struktūros yra su Ti fluentu 5 × 10 15 cm – 2, 1 × 10 16 cm – 2 ir 5. × 10 16 cm −2, atitinkamai, o atitinkamas dugnas ( φ b-HRS ) yra atitinkamai 0, 57 eV, 0, 46 eV ir 0, 26 eV.

Image

a ) Nuo šališkumo priklausantys Šotkio barjerų aukščiai HRS. Nulinį Schottky barjero aukštį galima išgauti tiesine jungtimi. b ) Nuo temperatūros priklausomas nulinis šališkumo Schottky barjero aukštis ir idealumo faktoriai LRS. ( c ) Viršutinio ir apatinio Schottky barjero aukščio keitimas LRS ir HRS MIM struktūroms su skirtingais Ti srautais.

Visas dydis

LRS atveju IV charakteristikos rodo persiunčiamą diodų elgesį dėl Schottky kontakto viršutinėje sąsajoje ir Ohmic kontakto apatinėje sąsajoje, o srovę daugiausia dominuoja Schottky barjeras viršutinėje sąsajoje 36 . Kaip parodyta 5 pav. (B), nuo temperatūros priklausančios nulinės paklaidos Šotkio barjero aukštis ir idealumo koeficientas buvo apskaičiuoti pagal IV temperatūros kreives naudojant Shockley lygtį:

Image

kur A , A * , φ 0 , R s , R p ir n žymi diodų plotą, efektyviąją Richardsono konstantą, nulinio poslinkio barjero aukštį, eilės varžą, lygiagrečią varžą ir idealumo koeficientą bei kitus simbolius. turi įprastą reikšmę. Gautas Schottky barjero aukštis ( φ t-LRS ) viršutinėje sąsajoje mažėja didėjant temperatūrai, o idealumo koeficientas didėja. Palyginti didelis idealumo koeficientas gali būti susijęs su dideliu serijos pasipriešinimu kelių mega omų tvarka. Palyginus MRS struktūrų LRS ir HRS viršutinius ir apatinius Schottky barjerų aukščius, kaip parodyta 5 pav. (C), akivaizdu, kad Schottky barjerų aukštis viršutinėje sąsajoje labai padidėja, kai MIM struktūros nustatomos kaip LRS kaip Dauguma

Image
yra nukeliami į apatinę sąsają, o tai atitinka ankstesniame pranešime pateiktą rezultatą 36 . HRS sistemoje Schottky barjero aukštis tiek viršutinėje, tiek apatinėje sąsajoje ( φ t-HRS ir φ b-HRS ) mažėja didėjant Ti fluentui, nes donorai, įskaitant fiksuotus Ti donorus ir mobiliuosius
Image
donorai santykinai vienodai pasiskirsto per BFO sluoksnį HRS 36, o Schottky barjero aukštis yra atvirkštinė proporcija dopingo koncentracijai 12, 13 . Kai susidaranti Ti koncentracija BFO sluoksnyje didėja, kai Ti implantuojama Ti implantuojant į apatinį Pt dugno elektrodą, didesnė Ti fluence sukelia mažesnį Schottky barjero aukštį HRS. Tačiau, kaip tikimasi iš nedidelės Ti koncentracijos arti viršutinio elektrodo, nėra reikšmingo skirtumo tarp viršutinio Šotkio barjero aukščio LRS ( φ t-LRS ) MIM struktūroms, turinčioms skirtingą Ti sklandumą, kuris svyruoja tarp 0, 76 eV ir 0, 99 eV. Didžioji dalis mobiliųjų
Image
yra nuleidžiami į apatinę sąsają, kad būtų sumažintas apatinis Šotkio barjero aukštis LRS, ir donoro koncentracija viršutinėje sąsajoje yra labai maža. Taigi, aukščiausias Schottky barjero aukštis LRS nepriklauso nuo Ti fluence. Schottky barjero aukščio LRS ir HRS santykis su Ti fluence savo ruožtu yra geras įrodymas modifikuoto Schottky barjero aukščio modelyje, skirtoje varžos perjungimo mechanizmui, pasiūlytam ankstesniame leidinyje 36 .

Vietinis varžinis perjungimas

CsAFM matavimais buvo ištirtos nusodinto BFO be Au viršutinio elektrodo vietinės varžinės perjungimo charakteristikos. 3 × 3 μm 2 didelis BFO plotas buvo perjungtas į HRS ir LRS, nuskaitydamas įžemintą laidųjį antgalį virš BFO paviršiaus, tuo tarpu Pt apatiniam elektrodui buvo tenkinti pastovi įtampos paklaida +10 V ir –10 V. Atkreipkite dėmesį, kad įtampos poliškumas yra priešingas matuojant IV matavimus, kaip parodyta scheminiame eskize, parodytame S1 paveiksle papildomoje informacijoje. Po to dabartiniai žemėlapiai buvo išmatuoti nuskaitydami laidųjį antgalį per tą patį 3 × 3 μm 2 plotą, turintį mažą pastovią –4 V nuskaitymo įtampą, ant Pt dugno elektrodo, kaip parodyta 6 pav.. HRS, tik kai kurie buvo aptikta maža nuotėkio srovė, kuri homogeniškai pasiskirstė vietiniame rajone. Be to, nėra reikšmingo skirtumo MIM struktūroms, turinčioms skirtingas Ti fluorescencijas. Maksimali absoliučioji srovės vertė HRS yra 5, 79 nA, 5, 64 nA ir 5, 50 nA, didėjant Ti įtakoms. Tačiau LRS buvo pastebėtos 2–4 laidžios dėmės. Manome, kad dėl nevienodo Ti pasiskirstymo BFO grūduose ir BFO grūdų ribų BFO nusodinimo metu esant 650 o C temperatūrai ir dėl nevienalytės įtampos kritimo per polikristalinį BFO tarp CsAFM galiuko ir didelio masto dugno elektrodo, Schottky barjero aukštis apačioje BFO / Pt / Ti sąsaja yra šoniniu požiūriu nevienalytė po to, kai nuskaito CsAFM patarimą su rašymo pakraipais. Srovė, tekanti per potencialų barjero minimumą, gali būti stebima laidžios dėmės 47 . Gali būti, kad labai atsparias sritis galima perjungti, jei rašymo paklaida yra didesnė arba impulsų ilgis ilgesnis 36 . Maksimali absoliučioji srovės vertė LRS didėja didėjant Ti įtakoms, ty 6, 41 nA, 9, 96 nA ir 12, 81 nA MIM struktūroms, kurių Ti įtampa yra 5 × 10 15 cm −2, 1 × 10 16 cm −2., ir atitinkamai 5 × 10 16 cm −2 . Tai atitinka IV charakteristikas ir apskaičiuotus Schottky barjero aukščius. Vietinis varžinis perjungimas rodo galimybę sumažinti nematerialaus varžinio perjungimo elemento tūrį, kuris priklauso nuo Ti pasiskirstymo BFO plonose plėvelėse ir nuo plėvelės storio priklausomos įtampos kritimo.

Image

Visas dydis

Išvados

Apibendrinant, mes parodėme Pt ​​dugno elektrodų Ti implantacijos įtaką safyro substratams vėliau nusodintų BFO plonų plėvelių atsparumo jungimo charakteristikoms. Mažėjant Ti sklandumui, didėja apatinis Šotkio barjero aukštis, o norint visiškai nustatyti / atkurti MIM struktūrą, reikalingas didesnis rašymo poslinkis. Sulaikymo charakteristikas galima pagerinti, o ištvermė šiek tiek pablogėja didėjant Ti sklandumui. Šis darbas suteikia gilesnį supratimą apie varžinį perjungimą BFO plonasluoksnių jungiklių srityje, daugiausia dėmesio skiriant pasklidosios Ti vaidmeniui. BFO MIM struktūrų varžinį jungimą galima sukurti implantuojant Ti dugno elektrodus. Be to, jonų implantacija, suderinama su mikroelektroniniu būdu, gali būti sumažinta, norint generuoti vietinį varžinį perjungimą, nustatant Ti modelį, kuris leis valdyti nestabilios varžos perjungimo ląstelių tūrį CMOS / memristoriaus hibridiniame luste.

Papildoma informacija

Kaip cituoti šį straipsnį : Jūs, T. et al. Inžinerinis sąsajos tipo varžinis perjungimas „BiFeO 3“ plonos plėvelės jungikliuose implantuojant Ti dugno elektrodus. Mokslas. 18623 rep. „doi“: 10.1038 / srep18623 (2015).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.