Przełączanie rezystywne w tlenku niobu

Anna Nowak

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Promotor : prof. dr hab. Jacek Szade

Typowa pamięć flash ma żywotność do 103 – 107 cykli

• Dyski SSD• Pamięci typu flash• Telefony komorkowe• Tablety DRAM

Mass storage devices

RRAM, successor to:

Przełączanie rezystywne Silna zmiana oporu elektrycznego w ograniczonym obszarze materiału o wysokim oporze pod wpływem przyłożonego napięcia rzędu kilku V

a) Unipolar switching. The SET voltage is always higher than the RESET voltage, and theRESET current is always higher than the cc during SET operation. b) Bipolar switching. The SEToperation occurs on one polarity of the voltage or current, the RESET operation requires theopposite polarity. In some systems, no cc is used. Please note that the I–V curves of real systemsmay deviate considerably from these sketches, for both operation schemes. Rainer Waser et al. Adv. Mater. 2009, 21, 2632–2663

unipolarne bipolarne

A.Sawa MaterialsToday vol11 06.2008

Zaobserwowano przełączanie rezystywne w takich materiałach jak:• SrTiO3, Ta2O5, TaOx ,

TiOx, NiOx, CuOx, Nb2O5,

Al2O3, CoO, WOx, Pr0.7Ca0.3MnO3

• materiałach organicznych tj. PTCDA (C24H8O6)

Figure 2. Classification of the resistive switching effects which are considered for non-volatile memory applications. The switching mechanisms based on thermal, chemical, and electronic/electrostatic effects (five classes in the center) are further described in the text. This review will cover the redox-related chemical switching effects (red bracket). Rainer Waser et al. Adv. Mater. 2009, 21, 2632–2663

Figure 1. Sketch of filamentary conduction in MIM structures. Redrawn with modifications from ref. 4. a, Vertical stack configuration. b, Lateral, planar configuration. The red tube indicates the filament responsible for the ON state. R.Waser et.al NatureMaterial 11.2007

Nb2O5 w postaci kryształu i cienkiej warstwy

Crystal system: monoclinicGroup: P2/mLattice parameters: a = 20.3622 Åb = 3.8263 Åc = 35.0271Åα = 90°β = 95.826 °γ = 90°

Struktura była zmierzona za pomocą 4-kołowego dyfraktometru SuperNova firmy Agilent Technologie

Kryształ został otrzymany za pomocą metody topienia strefowego w Centrum Badawczym w Jülich, Niemcy

Incident angle (deg)2.52.42.32.22.121.91.81.71.61.51.41.31.21.110.90.80.70.60.50.40.30.20.1

Re

flect

ivity

R

1e+0

1e-1

1e-2

1e-3

1e-4

1e-5

1e-6

1e-7

Layer Layer Description Density (g/cm3) Thickness (nm) Roughness (nm)

6, 0 NbO1.1 7.414 3 6.8545, 0 Nb0.762 O0.238 6.537 14.882 3.166

4, 0 Nb0.25 O0.75 2.176 7.138 1.28

3, 0 H-Nb2O5 5.68 42.962 26.2682, 0 B-Nb2O5 4.8 5.238 1.6841, 0 NbO2 5.825 6.056 12.782

Substrate Si 2.33 600000 0.377

Tlenek niobu w postaci cienkiej warstwy został uzyskany za pomocą metody RF sputtering z Nb targetu następnie utleniona w temperaturze 300°C w 10-4 mbar O2

Wynik XPS dla tlenku niobu w postaci kryształu i cienkiej warstwy

535 534 533 532 531 530 529 528 527

0

2000

4000

6000

8000

10000

c/s

Bindig energy (eV)

RT 500C

O1s

Nb2O

5 single crystal

213 212 211 210 209 208 207 206 205

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

RT

5 0 0

Binding energy (eV)

Nor

mal

ized

inte

nsity

(a.

u.)

Te

mp

era

ture

Nb3d crystal

Lokalne przewodnictwo Nb2O5 cienkie warstwy były badane przy użyciu LC-AFM Zostały przeprowadzone pomiary w zależności od temperatury

Chropowatość powierzchni : RMS=0.330 nm

Redukcja w temperaturze 300°C UHV

Napięcie na igle :0.700 V

On

Mapa lokalnego przewodnictwa

Topografia

Zakres przewodnictwa : 0 do 840.46nA

Zakres przewodnictwa: 0 to 67.26 nA

50.0nm

100.0nm

Size: 500 x 500 nm

Size: 250 x 250 nm

Size: 500 x 500 nm

Redukcja w temperaturze 400°C UHV

Redukcja w temperaturze 600°C UHV

Chropowatość powierzchni: RMS=0.330 nm

Zakres przewodnictwa: 0 to 354,42 nA

Zakres przewodnictwa: 0 to 763.05 nA

Mapa lokanego przewodnictwa

Mapa lokalnego przednictwa

Topografia

Topografia

Napięcie na igle: 0.982V

Napięcie na igle: 0.700V

100nm

100nm

• Został zbadany tlenek niobu w postaci krystalicznej i cienkiej warstwy

• Kryształ otrzymany za pomocą techniki topienia strefowego posiada strukturę H-Nb2O5

• Badania wykonane za pomocą reflektometrii rentgenowskiej wykazały ze cienka warstwa ma grubość 76nm i składa się z kilku rodzajów tlenku niobu.

• Widoczny jest silny wpływ temperatury na cienką warstwę niobową. Struktura warstwy zaczyna się już zmieniać w temperaturze 300°C.

• Cienka warstwa tlenku niobu wykazuje zjawisko przełączania rezystywnego.

Wnioski

Dziękuje za uwagę