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

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3 Resistives Schalten

3 Resistives Schalten Resistiv schaltende Materialien gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Entwicklung neuartiger Speichertechnologien. Sie bieten vielerlei Vorteile (siehe Kapitel 2), die durchaus mit den heutigen CMOS-basierten Speichern konkurrieren können [52]. Für die Anwendung werden RRAM in Kondensatoranordnungen realisiert, deren Widerstände durch Anlegen elektrischer Spannungen von hochohmig zu niederohmig (bzw. umgekehrt) geschaltet werden können (siehe Abbildung 3.1). Die Widerstandszustände werden logischen Zuständen (0 = OFF, 1 = ON) zugeordnet. Es wird in diesem Zusammenhanghang auch vom SET (entspricht dem Einschalten: 0 → 1) und RESET (entspricht dem Ausschalten: 1 → 0) gesprochen. I Top-Elektrode U Bottom-Elektrode Substrat Abbildung 3.1: Kondensatoraufbau einer resistiv schaltenden Zelle: ■ Zelle im ON-Zustand (niederohmig), ■ Zelle im OFF-Zustand (hochohmig). Generell wird zwischen zwei Arten des Schaltens unterschieden, dem unipolaren Schalten und dem bipolaren Schalten (siehe Abbildung 3.2). Beim unipolaren Schalten genügt eine Spannungspolarität für den SET und den RESET der Zelle (Abbildung 3.2 a), da der Schaltvorgang unabhängig von der Spannungsrichtung ist. Es kann also sowohl mit nur positiver als auch mit nur negativer Spannung ein- und 23

3 RESISTIVES SCHALTEN ausgeschaltet werden. Dabei wird die Schaltrichtung (SET oder RESET) durch den maximal zulässigen Strom durch die Zelle festgelegt. Für das Einschalten der Speicherzelle muss der Strom durch die Zelle limitiert werden, da die Zelle durch hohe Ströme zerstört werden kann, oder direkt wieder ausgeschaltet wird. Befindet sich die Zelle initial im OFF-Zustand, so wird die Spannung erhöht bis der Strom bei einer definierten Schaltspannung (SET-Spannung) sprungartig ansteigt und somit ein niederohmiger Widerstand der Zelle erreicht ist. Beim Ausschalten der Speicherzelle wird der Strom nicht limitiert, so dass hier stets höhere Ströme auftreten als beim Einschalten. Im ON-Zustand wird die Spannung in gleicher Richtung erhöht, bis der Strom bei der RESET-Spannung einbricht und der hochohmige Zustand erreicht ist. Die hohen Ströme des RESET treten auf, da es sich beim unipolaren Schalten in den meisten Fällen um einen thermisch aktivierten Prozess handelt [53]. I ON RESET I Limit Limit SET ON SET OFF U RESET OFF U a) Abbildung 3.2: Schaltverhalten von resisitven Materialien: a) I(V)-Kennlinie des unipolaren Schaltens, b) I(V)-Kennlinie des bipolaren Schaltens. Die gestrichelte Linie kennzeichnet die Limitierung des zulässigen Maximal-Stroms durch die Zelle. b) Beim bipolaren Schalten wird die Speicherzelle mit einer Spannungspolarität eingeschaltet und mit der anderen Polarität ausgeschaltet (Abbildung 3.2 b). Auch hier muss der Strom beim Einschalten limitiert werden, sodass die Speicherzelle bei sprungartigen Stromerhöhungen nicht zerstört wird. Ausgehend vom initialen OFF- Zustand wird die Spannung erhöht bis der Strom mit Erreichen der SET-Spannung zunimmt und der niederohmige Widerstand der Zelle erreicht ist. Für den RESET wird die Polarität der Spannung geändert. Der Strom verringert sich mit der RESET- 24