Механизмы переноса заряда в мемристорах на основе оксидов гафния и циркония

Благодаря совместимости с КМОП-технологией оксиды гафния и циркония являются перспективными для использования в качестве активной диэлектрической среды мемристора. Поскольку вакансии кислорода играют важную роль в процессах формовки и резистивного переключения мемристоров, можно ожидать, что обеднение оксидного слоя мемристора на этапе синтеза должно приводить к уменьшению напряжения формовки или даже её полному устранению. Однако систематических исследований влияния обеднения кислородом оксидов гафния и циркония на электрофизические свойства мемристоров на их основе не проводилось. Целью данной работы является выяснение механизмов переноса заряда в мемристорах на основе нестехиометрических оксидов гафния и циркония. Поскольку в процессах резистивного переключения, помимо вакансий кислорода, могут играть роль и другие структурные дефекты, такое исследование позволит установить их микроскопические параметры и позволит расширить представление об эффекте резистивного переключения. Известно, что диаметр электронного луча в современных микроскопах может быть уменьшен до единиц нанометров. Это открывает возможность использовать электронный луч для формирования неоднородностей в диэлектрическом слое мемристора размером сопоставимым с поперечным размером филамента. В связи с этим, для увеличения стабильности резистивных переключений исследовалась возможность локализации области формирования проводящего филамента за счёт интенсивного воздействия электронного луча. Установлены границы по величине коэффициента x (отношения концентраций кислорода и металла) для нестехиометрических оксидов гафния и циркония, внутри которых существует обратимое резистивное переключение в мемристорах TaN/HfOx/Ni и TaN/ZrOx/Ni, а также определена область значений x, в которой такие мемристоры являются бесформовочными. Показано, что транспорт заряда в мемристорах TaN/HfOx/Ni и TaN/ZrOx/Ni с различными величинами x в низко- и высокоомном состояниях осуществляется по механизму тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ) в режиме без ловушек и режиме, ограниченном ловушками, соответственно. Определены величины энергии ионизации ловушек для носителей заряда для высокоомного состояния таких мемристоров. Установлена возможность локализации процесса образования филамента в мемристоре TaN/HfOx/Ni за счёт интенсивного воздействия электронного луча на его оксидный слой. Показано, что использование такой методики при изготовлении мемристоров приводит к существенному снижению разброса напряжений резистивного переключения и сопротивлений в низко- и высокоомном состояниях по сравнению с мемристорами аналогичного состава, полученными без использования локального электронно-лучевого воздействия на оксидный слой.