Вышедшие номера
Home » Журнал технической физики » Год 2025, выпуск 9 » Статья стр. 1733
<<<>>>
Влияние концентрации вакансий кислорода на параметры резистивного переключения в мемристорных структурах на основе ZrO2(Y)
Круглов А.В. 1, Серов Д.А. 1, Белов А.И.1, Коряжкина М.Н.1, Антонов И.Н.1, Зубков С.Ю.1, Крюков Р.Н. 1, Антонов Д.А.1, Филатов Д.О.1, Хабибулова В.А.1, Михайлов А.Н. 1, Горшков О.Н. 1
1Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
Email: krualex@yandex.ru, serow.dim2015@yandex.ru, mahavenok@mail.ru, mian@nifti.unn.ru, gorshkov@nifti.unn.ru
Поступила в редакцию: 18 апреля 2025 г.
В окончательной редакции: 7 июля 2025 г.
Принята к печати: 11 июля 2025 г.
Выставление онлайн: 21 августа 2025 г.
PDF версия
Исследовано влияние концентрации вакансий кислорода на параметры резистивного переключения в мемристорных структурах на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием (ZrO2(Y)). Концентрация вакансий кислорода в объеме ZrO2(Y) и в области резистивного переключения (интерфейс металл/диэлектрик) варьировалась за счет изменения концентрации легирующей примеси (8 или 12 mol.% Y2O3), а также изменения условий кислородного обмена вследствие использования разных материалов активного электрода, имеющих различную способность к окислению (Ta, W, Ru). Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и проводящей атомно-силовой микроскопии установлено наличие области, насыщенной вакансиями кислорода, и образование в процессе изготовления мемристорных структур проводящих каналов, что позволяет создавать бесформовочные мемристоры. С помощью электрофизических измерений показано, что структуры на основе пленок ZrO2(Y) с концентрацией Y2O3 8 mol.% демонстрируют плавное резистивное переключение, меньший разброс токовых состояний и могут представлять интерес для нейроморфных приложений. Структуры с Ta- и W-электродом демонстрируют близкие параметры резистивного переключения и хорошие возможности КМОП-интеграции, тогда как структуры с Ru-электродом имеют параметры, несовместимые с требованиями КМОП. Ключевые слова: мемристор, резистивная память, резистивное переключение, филамент, вольт-амперная характеристика, электроформовка, стабилизированный диоксид циркония.
  1. A.N. Mikhaylov, E.G. Gryaznov, M.N. Koryazhkina, I.A. Bordanov, S.A. Shchanikov, O.A. Telminov, V.B. Kazantsev. Supercomp. Frontiers and Innovations, 10 (2), 77 (2023). DOI: 10.14529/jsfi230206
  2. X. Duan, Z. Cao, K. Gao, W. Yan, S. Sun, G. Zhou, Z. Wu, F. Ren, B. Sun. Adv. Mater., 36 (14), 2310704 (2024). DOI: 10.1002/adma.202310704
  3. M. Lanza, R. Waser, D. Ielmini, J.J. Yang, L. Goux, J. Sune, A.J. Kenyon, A. Mehonic, S. Spiga, V. Rana, S. Wiefels, S. Menzel, I. Valov, M.A. Villena, E. Miranda, X. Jing, F. Campabadal, M.B. Gonzalez, F. Aguirre, F. Palumbo, K. Zhu, J.B. Roldan, F.M. Puglisi, L. Larcher, T.-H. Hou, T. Prodromakis, Y. Yang, P. Huang, T. Wan, Y. Chai, K.L. Pey, N. Raghavan, S. Duenas, T. Wang, Q. Xia, S. Pazos. ACS Nano, 15 (11), 17214 (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c06980
  4. O. Kapur, D. Guo, J. Reynolds, D. Newbrook, Y. Han, R. Beanland, L. Jiang, C.H. Kees de Groot, R. Huang. Sci. Reports, 14, 14008 (2024). DOI:10.1038/s41598-024-64499-2
  5. F. Cai, J.M. Correll, S.H. Lee, Y. Lim, V. Bothra, Z. Zhang, M.P. Flynn, W.D. Lu. Nature Electron., 2, 290 (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0270-x
  6. M. Rao, H. Tang, J. Wu, W. Song, M. Zhang, W. Yin, Y. Zhuo, F. Kiani, B. Chen, X. Jiang, H. Liu, H.-Y. Chen, R. Midya, F. Ye, H. Jiang, Z. Wang, M. Wu, M. Hu, H. Wang, Q. Xia, N. Ge, J. Li, J.J. Yang. Nature, 615, 823 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05759-5
  7. J.S. Lee, S. Lee, T.W. Noh. Appl. Phys. Rev., 2 (3), 031303 (2015). DOI: 10.1063/1.4929512
  8. B. Mohammad, M.A. Jaoude, V. Kumar, D.M. Al Homouz, H.A. Nahla, M. Al-Qutayri, N. Christoforou. Nanotechnol. Rev., 5 (3), 311 (2016). DOI: 10.1515/ntrev-2015-0029
  9. R. Waser. J. Nanosci. Nanotechnol., 12 (10), 7628 (2012). DOI: 10.1166/jnn.2012.6652
  10. D. Ielmini. Semicond. Sci. Technol., 31 (6), 063002 (2016). DOI: 10.1088/0268-1242/31/6/063002
  11. A. Kindsmuller, A. Meledin, J. Mayer, R. Waser, D. Wouters. Nanoscale, 11 (39), 18201 (2019). DOI: 10.1039/c9nr06624a
  12. S.-Y. Wang, D.-Y. Lee, T.-Y. Tseng, C.-Y. Lin. Appl. Phys. Lett., 95, 112904 (2009). DOI: 10.1063/1.3231872
  13. N.K. Upadhyay, W. Sun, P. Lin, S. Joshi, R. Midya, X. Zhang, Z. Wang, H. Jiang, J.H. Yoon, M. Rao, M. Chi, Q. Xia, J.J. Yang. Adv. Electron. Mater., 6 (5), 1901411 (2020). DOI: 10.1002/aelm.201901411
  14. H. Zhang, B. Gao, B. Sun, G. Chen, L. Zeng, L. Liu, X. Liu, J. Lu, R. Han, J. Kang, B. Yu. Appl. Phys. Lett., 96 (12), 123502 (2010). DOI: 10.1063/1.3364130
  15. А.В. Круглов, Д.А. Серов, А.И. Белов, М.Н. Коряжкина, И.Н. Антонов, С.Ю. Зубков, Р.Н. Крюков, А.Н. Михайлов, Д.О. Филатов, О.Н. Горшков. ЖТФ, 94 (11), 1833 (2024). DOI: 10.61011/JTF.2024.11.59100.204-24
  16. H.A. Abbas. Stabilized Zirconia for Solid Oxide Fuel Cells or Oxygen Sensors: Characterization of Structural and Electrical Properties of Zirconia Doped with Some Oxides (LAP LAMBERT Academic Publishing, Saarbrucken, 2012)
  17. M. Filal, C. Petot, M. Mokchah, C. Chateau, J.L. Carpentier. Solid State Ionics, 80 (1-2), 27 (1995). DOI: 10.1016/0167-2738(95)00137-U
  18. T. Liu, X. Zhang, X. Wang, J. Yu, L. Li. Ionics, 22, 2249 (2016). DOI: 10.1007/s11581-016-1880-1
  19. A. Bogicevic, C. Wolverton, G.M. Crosbie, E.B. Stechel. Phys. Rev. B, 64 (1), 014106 (2001). DOI: 10.1103/PhysRevB.64.014106
  20. В.Г. Заводинский. ФТТ, 46 (3), 441 (2004)
  21. R. Devanathan, W.J. Weber, S.C. Singhal, J.D. Gale. Solid State Ionics, 177 (15-16), 1251 (2006). DOI: 10.1016/j.ssi.2006.06.030
  22. R. Krishnamurthy, Y.-G. Yoon, D.J. Srolovitz, R. Car. J. American Ceramic Society, 87 (10), 1821 (2004). DOI: 10.1111/j.1151-2916.2004.tb06325.x
  23. S. Tikhov, O. Gorshkov, I. Antonov, A. Morozov, M. Koryazhkina, D. Filatov. Adv. Condens. Matter Phys., 2018 (8), 2028491 (2018). DOI: 10.1155/2018/2028491
  24. A.V. Yakimov, D.O. Filatov, O.N. Gorshkov, D.A. Antonov, D.A. Liskin, I.N. Antonov, A.V. Belyakov, A.V. Klyuev, A. Carollo, B. Spagnolo. Appl. Phys. Lett., 114 (25), 253506 (2019). DOI: 10.1063/1.5098066
  25. J. Yang, J. Strachan, F. Miao, M.-X. Zhang, M. Pickett, W. Yi, D. Ohlberg, G. Medeiros-Ribeiro, R. Williams. Appl. Phys. A, 102 (4), 785 (2011). DOI: 10.1007/s00339-011-6265-8
  26. C. Chen, S. Gao, F. Zeng, G.S. Tang, S.Z. Li, C. Song, H.D. Fu, F. Pan. J. Appl. Phys., 114 (1), 014502 (2013). DOI: 10.1063/1.4812486
  27. N. Ge, M.-X. Zhang, L. Zhang, J. Yang, Z. Li, R. Williams. Semicond. Sci. Technol., 29 (10), 104003 (2014). DOI: 10.1088/0268-1242/29/10/104003
  28. C.-Y. Lin, C. Wu, C.-Y. Wu, T.-C. Lee, F.-L. Yang, C. Hu, T. Tseng. IEEE Electron Device Lett., 28 (5), 366 (2007). DOI: 10.1109/LED.2007.894652
  29. С.Ю. Зубков, И.Н. Антонов, О.Н. Горшков, А.П. Касаткин, Р.Н. Крюков, Д.Е. Николичев, Д.А. Павлов, М.Е. Шенина. ФТТ, 60 (3), 591 (2018). DOI: 10.21883/FTT.2018.03.45566.249
  30. F. Iacona, R. Kelly, G. Marletta. J. Vacuum Sci. Technol. A, 17 (5), 2771 (1999). DOI: 10.1116/1.581943
  31. M.-S. Kim, Y.-D. Ko, J.-H. Hong, M.-C. Jeong, J.-M. Myoung, I. Yun. Appl. Surf. Sci., 227 (1-4), 387 (2004). DOI: 10.1016/j.apsusc.2003.12.017
  32. B.J. Choi, D.S. Jeong, S.K. Kim. J. Appl. Phys., 98 (3), 033715 (2005). DOI: 10.1063/1.2001146
  33. B. Singh, B.R. Mehta, D. Varandani, A.V. Savu, J. Brugger. Nanotechnology, 23 (49), 495707 (2012). DOI: 10.1088/0957-4484/23/49/495707
  34. V. Iglesias, M. Lanza, A. Bayerl, M. Porti, M. Nafri a, X. Aymerich, L.F. Liu, J.F. Kang, G. Bersuker, K. Zhang, Z.Y. Shen. Microelectron. Reliability, 52 (9-10), 2110 (2012). DOI: 10.1016/j.microrel.2012.06.073
  35. M. Setvin, M. Reticcioli, F. Poelzleitner, J. Hulva, M. Schmid, L.A. Boatner, C. Franchini, U. Diebold. Science, 359 (6375), 572 (2018). DOI: 10.1126/science.aar2287
  36. K. Kukl, J. Aarik, A. Aidla, O. Kohan, T. Uustare, V. Sammelselg. Appl. Surf. Sci., 230 (1), 249 (2004). DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.02.033
  37. P.A. Murawala, M. Sawai, T. Tatsuta, O. Tsuji, S. Fujita, S. Fujita. Jpn. J. Appl. Phys., 32 (1S), 368 (1993). DOI: 10.1143/JJAP.32.368
  38. D.R. Lide. CRC Handbook of Chemistry and Physics (CRC Press, Boca Raton, 2016)
  39. Z. Wang, H. Jiang, M.H. Jang, P. Lin, A. Ribbe, Q. Xia, J.J. Yang. Nanoscale, 8 (29), 14023 (2016). DOI: 10.1039/C6NR01085G
  40. A.N. Mikhaylov, E.G. Gryaznov, A.I. Belov, D.S. Korolev, A.N. Sharapov, D.V. Guseinov, D.I. Tetelbaum, S.V. Tikhov, N.V. Malekhonova, A.I. Bobrov, D.A. Pavlov, S.A. Gerasimova, V.B. Kazantsev, N.V. Agudov, A.A. Dubkov, C.M.M. Rosario, N.A. Sobolev, B. Spagnolo. Phys. Status Solidi C, 13 (10-12), 8701 (2016). DOI: 10.1002/pssc.201600083
  41. A.A. Koroleva, A.G. Chernikova, A.A. Chouprik, E.S. Gornev, A.S. Slavich, R.R. Khakimov, E.V. Korostylev, C.S. Hwang, A.M. Markeev. ACS Appl. Mater. Interfaces, 12 (49), 55331 (2020). DOI: 10.1021/acsami.0c14810
  42. M. Lanza, K. Zhang, M. Porti, M. Nafri a, Z.Y. Shen, L.F. Liu, J.F. Kang, D. Gilmer, G. Bersuker. Appl. Phys. Lett., 100 (12), 123508 (2012). DOI: 10.1063/1.3697648
  43. M. Lanza, G. Bersuker, M. Porti, E. Miranda, M. Nafri a, X. Aymerich. Appl. Phys. Lett., 101 (19), 193502 (2012). DOI: 10.1063/1.4765342
  44. D. Yang, J. Xue, J. Wang, H. Wang, S. Wang, X. Lei, J. Yan, W. Zhao. ACS Appl. Electron. Mater., 6 (6), 4764 (2024). DOI: 10.1021/acsaelm.4c00790
  45. Ю.С. Кузьминов, Е.Е. Ломонова, В.В. Осико. Тугоплавкие материалы из холодного тигля (Наука, М., 2004)
  46. R. Frison, S. Heiroth, J.L.M. Rupp, K. Conder, E.J. Barthazy, E. Muller, M. Horisberger, M. Dobeli, L.J. Gauckler. Solid State Ionics, 232, 29 (2013). DOI: 10.1016/j.ssi.2012.11.014
  47. B.K. You, W.I. Park, J.M. Kim, K.-I. Park, H.K. Seo, J.Y. Lee, Y.S. Jung, K.J. Lee. ACS Nano, 8 (9), 9492 (2014). DOI: 10.1021/nn503713f

Учредители

Издатель

© 2025 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme