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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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6 INTEGRATION VON

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN zwei definierte Zustände gesehen werden, wobei R ON ~ 1 kΩ und R OFF ~ 100 MΩ waren. Es fiel jedoch auf, dass einzelne Messwerte außerhalb der Bereiche von R ON und R OFF lagen, in denen die Widerstandswerte gehäuft auftraten. Die Zelle konnte dementsprechend trotz der hohen Spannungen teils nicht „vollständig“ ein- bzw. ausgeschaltet werden. Es wurden Zwischenzustände erreicht, wie sie beispielsweise beim Multi-Bit Schalten in Pt/GeSe/Ag-Zellen gesehen wurden [71]. Diese Zwischenzustände entstanden jedoch eher zufällig und konnten nicht durch definierte Spannungspulse oder Strombegrenzungen erzwungen werden. Das Widerstandsverhältnis der gehäuft auftretenden Zustände wurde mit R OFF /R ON = 10 4 bemessen. Werden die Zwischenzustände berücksichtigt, so kann ein Verhältnis von 10 5 /10 4 = 10 erzielt werden. Die ersten ~ 150 Zyklen fallen durch eine etwas breitere Streuung der Widerstandszustände auf, sodass diese als „Awake-Phase“ der Zelle angesehen werden können. Bezüglich der Wirkung von Spannungspulsen auf das Schaltverhalten der Zellen, im Gegensatz zu quasistatischen Messungen, wurde ein ergänzendes Experiment durchgeführt. Es wurde die Anzahl der 100 ms-Pulse in Abhängigkeit der Pulsamplitude aufgezeichnet, die für ein Schaltevent nach dem Formierungsprozess benötigt wurden. Abbildung 6.13 zeigt in a) die Anzahl der SET-Pulse, die für das Einschalten der Zelle benötigt wurden, und in b) die Anzahl der RESET-Pulse, die für das Ausschalten der Zelle benötigt wurden. Es fällt zunächst auf, dass sich im Vergleich zu den quasistatischen Messungen die Spannungsbereiche der Schaltspannungen deutlich unterscheiden. Bei den quasistatischen Messungen lag U SET zwischen 0,2 V und 0,75 V (vgl. Abbildung 6.5 b). Dieser Spannungsbereich genügt bei kurzen Pulsen nicht mehr, um die Zelle mit einem einzigen Puls anzuschalten. Es bedarf z.B. bei einer Pulsamplitude von 0,8 V einer durchschnittlichen Anzahl von 90 Pulsen, um die Zelle in den R ON zu schalten. Wird die Spannung weiter erhöht, so reduziert sich die Anzahl der benötigten SET-Pulse für ein Schaltevent. Der Unterschied zwischen quasistatischer und Puls-basierter SET-Spannung liegt dabei in der Natur des Schaltmechanismus. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um einen ladungsbasierten Prozess handelt. Durch Q = t ∫ i ⋅ dt wird dann deutlich, dass kürzere Zeiten (wie es bei 100 ms Pulsen der Fall war) höhere Spannungen für den SET benötigen, da stets die gleiche Ladungsmenge Q (Ag- Ionenladung) transportiert werden muss. Höhere elektrische Spannungen bzw. Felder 105

6 INTEGRATION VON METHYL-SILSESQUIOXAN steigern den Strom i (Ionenstrom) des SET. 100 1500 Anzahl der Pulse 80 60 40 20 0 0,5 1 1,5 2 U SET-Puls [V] a) Anzahl der Pulse 1200 900 600 300 0 -0,6 -0,4 -0,2 0 U RESET-Puls [V] b) Abbildung 6.13: Anzahl der Pulse, die für ein Schaltevent benötigt wurden, in Abhängigkeit der Pulsamplitude. a) 100 ms SET-Pulse und b) 100 ms RESET-Pulse. Der Vergleich der RESET-Spannungen stellt sich in einer anderen Weise dar. Hier ähneln sich die Spannungsbereiche der quasistatischen Messungen mit denen der Pulsmessungen. Die Spannungs-Verteilung lag bei den quasistatischen Messungen zwischen - 0,2 V und - 1,6 V (Abbildung 6.5 c). Bei den Pulsmessungen wurden bei - 0,2 V durchschnittlich 30 Pulse für den RESET benötigt, wobei - 0,5 V (was in etwa dem Maximum der quasistatischen Verteilung entsprach) deutlich für das Ausschalten mit 100 ms Pulsen genügte. Der Vergleichbarkeit der Spannungsbereiche zu Folge scheint beim RESET ein anderer Mechanismus zu überwiegen, der jedoch eines vollständig verstandenen Modellbildes noch bedarf. Ein abschließendes Experiment in Bezug auf die Performance der Pt/MSQ/Ag-Zellen wurde mit sehr kurzen Pulsen durchgeführt, um die Schaltgeschwindigkeiten zu untersuchen. Die Pulse betrugen eine Weite von 10 ns und wurden mit einem Agilent 81110A Pulsgenerator in Kombination mit der Süss Probestation auf die 100 nm x 100 nm- Zellen gegeben. U SET und U RESET wurden mit +/- 3,5 V festgelegt. Nach jedem Puls wurde der Zustand der Zelle über den Agilent B1500A Semiconductor Device Analyser mit einer quasistatischen Messung detektiert (U Lesen = 100 mV). Abbildung 6.14 zeigt die entsprechende Messung. 106