具有高耐久性的 Ag-Ga2Te3 选择器的阈值切换，适用于交叉点阵列的应用

方法

TiN/Ag/Ga2Te3/TiN 叠层的选择器器件采用通孔结构制造，以研究其 TS 特性，如图 1a 所示。首先，形成尺寸为 0.42 μm × 0.42 μm 的 TiN 插塞作为底部电极 (BE)。使用 Ga2Te 和 Te 靶通过射频磁控管共溅射沉积厚度为 40 nm 的 Ga2Te3 薄膜。随后，通过直流磁控溅射在 Ga2Te3 薄膜上沉积 10nm 厚的 Ag 薄膜。最后，采用直流磁控溅射和剥离法形成TiN顶电极(TE)。

一 Ag/Ga2Te3 选择器器件的示意图。 b TiN/Ag-Ga2Te3/TiN选择器器件截面TEM图

使用 Keysight B1500A 分析仪在 298 K 下研究了电气特性。 DC 开关测试使用顺从电流 (I comp) 以避免 TS 设备的硬故障。此外，AC I -V 测量是在 1 MΩ 的外部负载电阻下进行的，以防止设备击穿。使用透射电子显微镜（TEM；JEOL FEM-F200）研究了器件的微观结构，如图 1b 所示。使用聚焦离子束系统制备器件的横截面 TEM 样品。使用TEM-能量色散光谱(EDS)测量研究了Ga2Te3薄膜中Ag的原子分布。

结果与讨论

图 2a 显示了选择器器件的原始 TiN/Ag-Ga2Te3/TiN 叠层的横截面 TEM 图像。在 Ga2Te3 薄膜的顶部没有观察到厚度为 10 nm 的 Ag 中间层。图 2b 显示了图 2a 中标记的红色矩形区域的 Ga、Te、Ag 和 Ti 元素的 EDS 映射。 EDS 映射图像表明，即使没有应用 Ag 的共溅射工艺，Ag 也均匀分布在 Ga2Te3 薄膜中。均匀的Ag-Ga2Te3薄膜可能是因为在堆叠形成过程中Ag的扩散而形成的。对于 GeTe 薄膜，也报道了这种 Ag 的快速均质化 [30,31,32]。由于 Ga2Te3 薄膜中的 NBT 和 Ga 空位等缺陷，Ag 可能会扩散到 Ga2Te3 薄膜中 [18, 27,28,29]。

一 TiN/Ag-Ga2Te3/TiN 器件结构的横截面 TEM 图像。 b a 中标记的红色矩形区域的 Ga、Te、Ag 和 Ti 的 TEM-EDS 映射图像

图 3a 显示了底部电极面积为 0.42 µm × 0.42 µm 的 Ag-Ga2Te3 器件的电流-电压 (I-V) 特性，连续 100 个直流扫描周期。该器件在没有成型过程的情况下显示出 TS 特性。当 TE 上的电压从 0 扫到 1.5 V 时，导通电流在 V 处突然增加 TH ≈ 0.87 V 至 I comp 设置为 1 µA，这表明器件从高阻状态 (HRS) 切换到低阻状态 (LRS)。设备在 V 放松回到 HRS 当电压从 1.5 V 降低到 0 V 时，Hold ≈ 0.12 V，表明 V 之间存在相当大的差异 TH 和 V 抓住。 V 处的关断电流 测得 TH 小于 100 fA，与之前报道的使用 Ag 或 Cu 等活性金属的基于硫属化物的选择器相比，这对应于最低值之一 [14, 18, 25, 30, 33]。选择性，定义为通态电流与断态电流的比值，约为 10 ⁸ .如图 3b 所示，I-V 曲线显示了各种 I 的稳定 TS 特性 comp 值范围从 10 nA 到 10 µA，表明其在工作电流方面的灵活性。 V之间相差较大的无成型TS TH 和 V Ag-Ga2Te3 选择器器件的保持明显优于 Ga2Te3-only OTS 选择器器件的 TS 特性[34]。由于成型工艺被认为是实际器件应用的潜在障碍，Ag-Ga2Te3 器件的无成型特性比需要成型工艺的选择器器件更有利[35]。此外，Ag-Ga2Te3 选择器器件具有大滞后的 TS 特性可能会降低 CPA 结构的操作复杂性并缓解严格的电压匹配要求 [18, 19]。此外，Ag-Ga2Te3 选择器显示出 0.19 mV/dec 的陡峭开启斜率，每个测量步骤的扫描速率为 1.5 mV，如图 3c 所示。 Ag-Ga2Te3 选择器器件表现出优异的特性，包括其高选择性 (10 ⁸ )、低断态电流 (<100 fA)、陡峭的开启斜率 (0.19 mV/dec) 和无成型特性。

一 我 –V Ag-Ga2Te3 选择器器件在 100 个连续循环期间的 DC 电压扫描结果的特性。 Ag-Ga2Te3 选择器器件显示出极低的漏电流 (<100 fA)，开/关比为 10 ⁸ . b Ag-Ga2Te3 基选择器器件在不同 I 下的 TS 特性 补偿值从 10 nA 到 10 μA。 c I 的特写视图 –V TS 处的曲线显示 0.19 mV/dec 的开启斜率

由于器件性能的变化是选择器应用于 CPA 结构的关键因素，因此 V 的分布 TH, V Hold，高阻态的阻值（R HRS) 和低电阻状态的电阻 (R LRS) 对 25 个随机设备进行了调查。图 4a 显示阈值电压分布范围为 0.75 至 1.08 V，而保持电压分布范围为 0.06 至 0.375 V。此外，HRS 处的电阻分布范围为 10 ¹¹ 到 10 ¹⁴ Ω，而 LRS 处的电阻约为 10 ⁶ Ω，如图 4b 所示。由于金属传导通道的形成，使用活性金属（如 Ag 或 Cu）的选择器器件表现出相对较宽的变化特性 [36, 37]。因此，已有报道通过掺杂或缓冲层插入来提高这些特性的可靠性[37, 38]。

一 V 的设备到设备变体 TH 和 V 保持 25 个设备。 b R 的设备到设备变体 HRS 和 R 25台设备的LRS

为了研究 Ag-Ga2Te3 选择器的瞬态响应，在高度为 3 V、上升-下降时间为 100 ns、持续时间为 1.5 μs 的电压脉冲期间使用波形发生器快速测量单元 (WGFMU) 测量电流外部负载电阻为 1 MΩ，如图 5a 所示。 Ag-Ga2Te3 选择器器件的传导电流在电压达到最大值 3 V 的点后 406 ns 后达到峰值。此外，在施加电压后 605 ns 内器件切换到关断状态移除。因此，Ag-Ga2Te3 选择器的开启时间和关闭时间估计分别约为 400 ns 和 600 ns。 Ag-Ga2Te3 选择器的缓慢切换可归因于 Ag 的迁移和氧化还原反应以形成传导通道。此外，在输入电压为 1.5-5 V 和测量温度为 298-375 K 的情况下，研究了施加电压和测量温度对开关时间的影响。开关时间从 1 μs 减少到 294 ns，而随着脉冲电压从 1.5 V 增加到 3.5 V，关断时间从 400 ns 增加到 849 ns，如图 5b 所示。开关速度对施加电压的依赖性与先前报道的 HfO2 和 TiO2 上的 Ag 层结果相当 [39]。此外，图 5c 显示开启和关闭时间随着测量温度的增加而减少。根据图 5d 中显示的开关速度与测量温度的 Arrhenius 图，开关速度对测量温度的指数依赖性可归因于热促进过程，例如 Ag 原子在电解质膜基质中的扩散 [40]。接通和关断的激活能估计分别为 0.50 eV 和 0.40 eV，这与之前关于基于银丝的设备的报告中的那些相当[41]。据报道，Ag 导电通道是在 HfO2、SiO2 和 TiO2 中的电偏压下形成的 [15, 42, 43]。然而，在这项研究中，观察到 Ag 均匀分布在原始 Ga2Te3 薄膜中。尽管对具有均匀 Ag 分布的 Ga2Te3 薄膜中 TS 的机制尚不清楚，但 Ag 可能与电偏压下 Ga2Te3 薄膜中导电通道的形成有关。因此，Ag-Ga2Te3选择器器件的开关速度对输入电压和测量温度的依赖性可以归因于导电通道的形成。

一 AC I –V Ag-Ga2Te3 选择器器件的测量（测量条件：上升时间 =100 ns，持续时间 =1.5 μs，下降时间 =100 ns，输入电压 =3 V）。 b 开关速度取决于施加的脉冲电压。 c 开关速度取决于测量温度。 d 切换速度与测量温度的阿伦尼乌斯图

在与开关速度测试相同的电压脉冲条件下研究了交流耐久特性。 HRS 和 LRS 的读数电压分别为 0.5 和 3 V。如图 6 所示，HRS 和 LRS 的测量电阻绘制为每十年 450 个点。Ag-Ga2Te3 选择器器件表现出高达 10 ⁹ 的稳定耐久特性 循环保持 10 ⁸ 的选择性 ，因此与使用硫属化物和活性金属的其他选择器相比，表现出优异的开关耐久性特性 [18, 25, 30]。

Ag-Ga2Te3选择器器件交流耐久特性高达10 ⁹ 周期（R 的 0.5 V 和 3 V 读数电压 HRS 和 R LRS，分别）

结论

在这项研究中，我们展示了使用具有高离子迁移率和高度缺陷的非晶 Ga2Te3 作为开关层的 Ag 制造的选择器器件的稳定 TS 特性。 TiN/Ag-Ga2Te3/TiN 结构的 TEM 分析表明嵌入的 Ag 中间层完全扩散到 Ga2Te3 膜中，从而在 Ga2Te3 层中产生均匀的 Ag 分布。这可能是因为在随后的 TE TiN 沉积过程中非晶 Ga2Te3 的结构有缺陷。 Ag-Ga2Te3 选择器器件表现出无形成 TS、大滞后 (1 V)、高选择性 (10 ⁸ )、低断态电流 (<100 fA)、陡峭的开启斜率 (0.19 mV/dec) 和出色的耐久性特性 (10 ⁹ 循环）。此外，交流 I-V 测量显示开关速度约为数百纳秒。开关速度对脉冲电压的依赖性可能是银迁移和氧化还原反应的综合影响。此外，基于测量温度的切换速度的 Arrhenius 行为表明 TS 与热促进过程有关。总之，具有优异TS和耐久性特性的Ag-Ga2Te3器件是CPA存储器应用中选择器的一个有前途的候选者。

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

3D：

三维

CPA：

交叉点阵列

TS：

阈值切换

OTS：

Ovonic 阈值开关

麻省理工学院：

金属-绝缘体转变

快速：

场辅助超线性阈值开关

ECM：

电化学金属化

MIEC：

混合离子电子传导

V :

阈值电压

V 保持：

保持电压

1S1R：

一选一电阻

V 设置：

设定电压

NBT：

非保税铁

TE：

顶部电极

基础：

底部电极

I 补偿：

合规电流

HRS：

高阻态

LRS：

低阻态

R 人力资源部：

高阻态电阻

R LRS :

低阻态电阻