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

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3 RESISTIVES SCHALTEN

3 RESISTIVES SCHALTEN Spannung bis der hochohmige Zustand wieder erreicht ist. In beiden Verfahren können die ON- und OFF-Zustände mit Spannungen kleiner der Schaltspannung zerstörungsfrei gelesen werden. Ferner sind beide Widerstands- Zustände nichtflüchtig. Die Mechanismen, welche das resistive Schalten hervorrufen, sind materialabhängig und bis heute zum Teil nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass sich durch das Auftreten elektrischer Felder im Kondensator-Bauelement hochleitende, filamentäre Pfade ausbilden, die durch thermische oder elektrochemische Prozesse reversibel wieder zerstört werden können [52]. 3.1 Materialien und Mechanismen Eine Vielzahl an Materialien zeigt resistives Schalten. Es wurden vor allem in den letzten Jahren chalkogenide Gläser, oxidische Materialien und Moleküle auf resistives Schalten hin untersucht. Dabei sind die auftretenden Schaltmechanismen abhängig von den im Material vorkommenden Elementen. Bereits im Zeitraum von 1960 bis 1980 wurde das Phänomen des resistiven Schaltens in einigen Materialien entdeckt und untersucht [54 - 57]. In den späten 1990ern wurde die Forschung auf dem Gebiet der schaltenden Materialien hauptsächlich von Asamitsu et al., Beck et al. und Kozicki et al., insbesondere mit Fokus auf die Anwendung als Speicher, vorangetrieben [58 – 60]. Die Modelle zur Beschreibung des Schaltmechanismusses der Materialien, die für diese Arbeit relevant sind, beruhen auf dem Prinzip des feldgetriebenen Transports von Ionen. Dabei wird zwischen zwei Mechanismen unterschieden: I) Der Redoxprozess durch Anion-Migration II) Der Redoxprozess durch Kation-Migration Fall I der Anion-Migration findet in binären und ternären Oxiden statt (z.B. TiO 2 , NiO, SrTiO 3 [61 - 64]). In diesen Oxiden, und insbesondere in Übergangsmetall-Oxiden, sind Anionen, welche durch Sauerstoffleerstellen auftreten, wesentlich mobiler als Kationen. Resistiv schaltende Zellen werden hier durch vertikal aufgebaute Metall/Isolator/Metall (MIM) - Strukturen mit Elektroden aus inerten Metallen (Pt) realisiert (siehe Abbildung 3.3). Der MIM-Kondensator befindet sich initial in einem hochohmigen Zustand aufgrund des hochgradig isolierenden Oxids (Abbildung 3.3 a). Durch anlegen einer elektrischen (positiven) Spannung wird an der unteren Elektrode eine sauerstoffarme Zone gebildet (Abbildung 3.3 b). Dieser Prozess wird Formierung genannt. Er variiert dabei mit unterschiedlichen Materialkompositionen und der 25

3 RESISTIVES SCHALTEN Beschaffenheit des Isolators. Makroskopische Einkristalle benötigen z. B. einige 100 V, um in einer Zeitspanne von mehreren Stunden formiert zu werden, wohingegen bei Dünnfilmen schon einige Volt ausreichen können, um die sauerstoffverarmte Zone in einer geringeren Zeit zu bilden [52]. Zum Teil wird der Formierungsprozess auch durch Konstantstromverfahren eingeleitet [65]. Die sauerstoffarme Zone wird ferner als virtuelle Kathode bezeichnet, da das oxidische Material durch die Abgabe von Sauerstoff metallisch leitend wird (Reduktion) und somit Bottom-Elektrode und sauerstoffverarmte Zone bei Anlegen einer Spannung das gleiche Potential tragen. Der Formierungsprozess wird vollendet, indem die Verarmungszone durch die angelegte Spannung in Richtung der Anode (hier nach oben) getrieben wird (Abbildung 3.3 c). An der Anode findet dann eine Oxidation statt, sodass eine elektrische Verbindung mit der virtuellen Kathode entsteht. Ein metallisch leitender Pfad hat sich somit durch den gesamten Isolator gebildet und diesen kurzgeschlossen. Die MIM-Zelle befindet sich damit im niederohmigen ON-Zustand. Die Zelle kann nach dem Formierungsprozess reversibel geschaltet werden. Wird die Polarität der Spannung invertiert, so bildet sich das Filament zurück und die Zelle schaltet erneut in einen hochohmigen Zustand. Es handelt sich also um einen bipolaren Schaltvorgang. +U +U Pt Metall-Oxid Pt O 2 -verarmte Zone a) b) c) Abbildung 3.3: Resistives Schalten in Metall-Oxiden: a) Initial hoch isolierende MIM-Zelle, b) Formierung einer sauerstoffarmen Zone an der Kathode durch anlegen einer Formierungsspannung, c) Spannungsgetriebene Ausbildung eines leitenden Pfades durch das Metall-Oxid (SET). Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Schaltvorgang in Übergangsmetall- 26