Adv. Mater.中科院微电子所:石墨烯提高阳离子基存储器件稳定性

【引语】

阳离子基电阻式开关存储器件由于其结构简单以及在非易失性存储器（NVM），逻辑电路，神经元计算等应用上优异的性能吸引了广泛的注意。该种开关存储器主要由一种三明治结构构成，中间一层是固体电解质材料，作为电阻开关层。上层是电化学活性电极（例如Cu，Ag，Ni等），底层一般是Au，Pt，W作为电极。在电刺激下，固体电解质层中纳米导电丝（CF）的会形成和溶解，因此电阻存储器件可以在高阻和低阻状态下切换。

【成果简介】

中科院微电子所的刘琦研究员（通讯作者）和刘明院士（通讯作者）的团队发现在各种的阳离子基存储器件中的负SET行为会对器件的稳定性产生巨大的影响，该团队利用透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）分析，在Ag/ZrO2/Pt存储器件中直接观察到Ag的细丝生长穿过ZrO2层，进入Pt层中，而Pt中的Ag会充当阳离子源导致负SET行为的产生，从而导致器件重置失败。为了解决这个问题，该团队在电阻转换层（RS layer）和Pt电极之间增加了石墨阻挡层。实验结果表明石墨烯阻挡层的加入有效抑制了Ag细丝过度生长到Pt中，大大的提高了器件的稳定性和应用前景。

【图文介绍】

图1 : Ag/ZrO2/Pt存储器件的电阻开关特性

图a : Ag/ZrO2/Pt器件在直流电压扫描模式下的负-SET行为

图b : 从20个样品中收集而来获得了正-FORM，负-REST和负-SET 电压的统计图表

图c : 脉冲测量系统的示意图

图d : 在脉冲模式下器件的V-t曲线

图2 : 在负-SET运行之后，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和EDS结果分析

图a、b : Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和STEM-BF图像，a图中的两条红线间的区域是CF（conductive filament）区，和b区中的红色方框区域相对应

图c : b图红色方框区域的Zr，Ag和Pt的元素映射图像，Ag/ZrO2和ZrO2/Pt的边界分别用两条白色虚线表示，Ag 的CF 在Ag元素映射图中用两条红线标记

图d : 图中展示了 b图中方框内4个红色圆圈区域相应的EDS图谱

图3 : 在ON-state情况下，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和EDS结果分析

图a 、b ：分别是在ON-state下，Ag/ZrO2/Pt器件 的HRTEM和STEM-BF图像。a图中的两条红线间的区域是CF（conductive filament）区，和b区中的红色框区域相对应

图c : b图红色方块区域的Zr，Ag和Pt的元素映射图像，Ag/ZrO2和ZrO2/Pt边界分别用两条白色虚线表示，Ag的 CF 在Ag元素映射图中用两条红线标记

图d : 图中展示了 b图中方框内4个红色圆圈区域相应的EDS图谱

图4: Ag/ZrO2/Pt存储器件的电阻开关特性

图a : 图中展示了直流电压扫描模式下Ag/ZrO2/Pt器件的I-V曲线。在电压增加到-4Vs时，在REST过程中并没有并没有观察到负-SET行为

图b : 在脉冲模式下器件的V-t曲线

图c : 图中展示了Ag/ZrO2/Pt器件的开关速度。∆t2是由传输线引起的延迟，开关速度是∆t1和∆t2相减的结果。实验结果表明在4V的脉冲下，器件可以在30ns内完成状态转换

图d : 直流电压扫描模式下Ag/ZrO2/Pt器件的耐久测试，SET和RESET过程中施加的电压为0→2 V和0→-3 V

图e : 脉冲模式下Ag/ZrO2/Pt器件的耐久测试，SET和RESET的脉冲电压分别是2V（1μs）和-3V(1μs)

图f : 室温下BRS和LRS的保留试验

图5 : Ag/ZrO2/Pt和Ag/ZrO2/G/Pt器件的开关机制

图a : 初始状态Ag/ZrO2/Pt器件的结构示意图

图b : 正电压下，ZrO2中CF形成，然后扩展到Pt电极中

图c : 在负电压下，CF在Pt电极附近部分断裂，Ag析出物仍残留在Pt电极中

图d : 当加载上更高的负电压时，在RESET过程中，断裂的CF因为残留在Pt电极中Ag发生电迁移和氧化还原而被修复，会导致器件出现意外的负-SET行为

图e : Ag/ZrO2/G/Pt器件的结构示意图

图f : 在正电压下，Ag CF生长在ZrO2层内并停止在A / ZrO2 / G/Pt器件中的石墨烯层。石墨烯阻挡层使得Ag中没有沉淀在Pt电极中

图g : 在负电压下，Pt电极附近的部分CF被修复

文献连接 ：Eliminating Negative-SET Behavior by Suppressing Nanofilament Overgrowth in Cation-Based Memory  (Adv. Mater, 2016, DOI:10.1002/adma.201603293)

本文由材料人电子电工学术组徐瑞供稿，材料牛整理编辑。