用QuantumATK研究新型非易失性类RAM中的电阻开关

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电阻RAM(ReRAM)是一种用于数据存储的新型非易失性存储器(NVM),与flash相比具有更低的编程电压和更快的读写速度[1]。ReRAM器件中的电阻开关,如OxRAM/CBRAM,取决于氧/金属离子在非晶态过渡金属氧化物如Ta2O5、HfO2和其它材料中的迁移,以形成原子粗细的导电细丝(低电阻状态、LRS或ON),或使其断裂(高电阻状态、HRS或OFF),如图1所示。

图1. ReRAM器件中电阻开关的速度取决于Ta2O5和其他非晶态过渡金属氧化物中氧离子的迁移,从而形成原子粗细导电丝(低电阻状态,导通)或使其断裂(高电阻态,截止)〔1〕。

ReRAM单元设计中的一个关键挑战是电阻开关参数的可变性[1]。QuantumATK新一代材料与器件模拟平台提供了电阻开关的原子级别的理解方法,该方法支持为可靠的ReRAM器件筛选可用的材料。在本综述中,我们将重点介绍在QuantumATK平台[2]中研究类ReRAM系统中电阻开关的方法和工具:

  • 氧/金属离子在非晶态材料中扩散的分子动力学模拟。
  • 密度泛函理论(DFT)结合非平衡格林函数(NEGF)方法研究了LRS和HRS态的电子输运。
  • DFT模拟了氧空位和金属杂质形成细丝和外部金属掺杂的形成能和陷阱能级。

本综述基于六篇QuantumATK的论文,分别由 Western Digital, Micron, RWTH Aachen University (Prof. Rainer Waser), National Cheng Kung University (Po-An Chen), and University of Notre Dame (Prof. Suman Datta)发表。


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非晶态材料扩散的分子动力学模拟

由于OxRAM /CBRAM器件中的电阻开关依赖于非晶态过渡金属氧化物中氧/金属离子的迁移(图1),更好的理解离子在这些非晶材料中的扩散对于优化未来的ReRAM器件来说至关重要。QuantumATK提供了使用熔融-淬火经典分子动力学(MD)方法[3-5]来生成非晶态材料和在这些材料中进行离子扩散的后续研究方法[3,5]。根据Western Digital的说法,预测晶体材料中的扩散势垒是很简单的,通常使用Nudged Elastic Band(NEB)方法来完成。然而,在没有明确晶格位置的无序非晶材料中,已经不可能识别出穿过材料的特定低能量路径,因此需要采用其他分析方法来处理复杂的能量面形貌。Western Digital 的研究[3]采用MD模拟技术来监测非晶态Ta2O5中不同温度下单个原子的运动。根据10 ns长的MD模拟,在不同温度下测定了原子的均方位移随时间的演化,以评估离子自扩散的扩散系数和活化能,如图2和图3所示。精确计算得到的扩散系数和活化势垒是描述导电细丝形成和界面电子结构的解析和数值模型的关键输入信息。

图2. 非晶态 Ta2O5 中原子均方位移在10 ns 时长MD模拟中的演化[3]。

图3. 测定非晶态Ta2O5的活化能Ea的Arrhenius图[3]。

Notre Dame University的研究[5]使用MD模拟来研究电场作用下CBRAM的演化。例如,图4说明了当电场作用于Co/HfO2/Pt器件时,Co细丝如何在HfO2电介质上形成导电桥,从而形成LRS/ON状态。量子力学中密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法的结合可以用来研究LRS和HRS态的电子输运。

图4. MD模拟显示了当电场作用于Co/HfO2/Pt器件时,Co细丝如何在HfO2介质上形成导电桥[5]。

用DFT-NEGF模拟电子输运

为了补充CBRAM演化与电场的MD研究,Notre Dame University的研究人员进行了DFT-NEGF模拟,以计算不同电场(偏压)值下的输运[5]。例如,图5所示的输运计算确认在电场接通时形成了导电桥。

图5.DFT-NEGF模拟图4中的结构的电子输运,确认电场打开时形成导电桥[5]。

同时,Micron在QuantumATK中使用DFT-NEGF方法研究了(CBRAM器件中存在的)金属单原子桥的长度、形貌和组成对电子输运和电导的影响[6]。这项研究表明,计算的电导随着长度的增加有一个较小的非单调变化,输运强烈地依赖于触点的形态(扁平或棱锥状,不对称)以及金属的类型,如图6所示。

图6. DFT-NEGF模拟表明,与Au和Cu相比,Al单原子桥在费米能级附近的传输率最高[6]。

有趣的是,National Cheng Kung University 的研究人员研究了MoS2 2D 材料作为非挥发性电阻开关应用的活性层[7]。DFT模拟表明Au+倾向于向硫空位移动,并可能形成导电桥。作者认为,费米能级附近态密度(DOS)的增加,如图7所示,随着金对硫取代率的增大,导致MoS2基的原子晶体管从HRS态向LRS态转变。

图7. 在基于MoS2原子晶体管中,随着S的Au取代率的增加,DOS在费米能级附近增加,从而导致从HRS状态向LRS状态的转变[7]。

QuantumATK中的DFT-NEGF方法也用于研究另一个ReRAM操作机制,其依赖于图8所示的Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt型电阻开关系统中靠近电极界面的氧离子的集体运动。氧离子在电极界面附近的集体运动调制了界面肖特基势垒,由此产生了电阻的变化。通过研究不同电压下计算的LDOS以及在不同温度和偏压下获得的电流-电压(I-V)特性,作者认为有三种不同的传导范围,如图9所示。研究表明:1)在SrTiO3基电阻开关器件中,通过肖特基势垒进入电阻开关层导带的直接隧穿过程控制着器件的电导;2)在超薄(~2.8nm)器件中,从电极到电极的直接隧穿过程也很重要。因为它会影响电阻开关器件的高电阻状态的下限。

 

图8. 使用QuantumATK的DFT-NEGF方法研究Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt型电阻开关系统[8]。

图9. Nb:SrTiO3/SrTiO3/Pt电阻开关系统在不同温度下的电流电压特性[8]。

缺陷和掺杂模拟

OxRAM/CBRAM器件中的电阻开关是由非晶态过渡金属氧化物中氧空位缺陷/金属离子杂质的迁移控制的。Micron计算了非晶Hf0.75Si0.25O1.99中氧空位和非晶Al2O3中Cu杂质在不同电荷态带隙中陷阱能级,并建议根据对缺陷诱导禁带态的分布、相应的波函数和缺陷的空间分布的微观表征来定义电阻态。[6]。

同时,Western Digital 研究了如何使用掺杂剂来调整和改善氧化物用于ReRAM应用的电子特性〔4〕。研究了不同金属掺杂对晶体和非晶Ta2O5中氧空位形成的影响[4]。如图10所示,研究表明,p型掺杂剂(Al、Hf、Zr和Ti)可以降低形成能,从而降低形成/置位电压,并改善基于Ta2O5的ReRAM的保持性能。

QuantumATK有一个高效且用户友好的框架,用于研究宿主材料中掺杂/缺陷的特性,计算中性和带电缺陷以及各种类型缺陷(空位、替换、间隙、成对和较大团簇)的松弛缺陷/掺杂结构、形成能和陷阱能级。(要使用此功能请咨询我们)

图10.研究不同金属掺杂对晶体和非晶ta2o5中氧空位形成的影响。研究表明,p型掺杂(Al、Hf、Zr和Ti)可以降低Ta2O5的形成能,从而降低ReRAM形成/置位电压,改善ReRAM的保持性能[4]。

相关资源

参考文献

  • [1] S. Yu and P.-Y. Chen, “Emerging memory technologies: recent trends and prospects”, IEEE Solid-State Circuits Mag. 8, 43 (2016).
  • [2] S. Smidstrup, T. Markussen, P. Vancraeyveld, J. Wellendorf, J. Schneider, T. Gunst, B. Vershichel, D. Stradi, P. A. Khomyakov, U. G. Vej-Hansen, M.-E. Lee, S. T. Chill, F. Rasmussen, G. Penazzi, F. Corsetti, A. Ojanpera, K. Jensen, M. L. N. Palsgaard, U. Martinez, A. Blom, M. Brandbyge, and K. Stokbro, “QuantumATK: An integrated platform of electronic and atomic-scale modelling tools”, J. Phys.: Condens. Matter 32, 015901 (2020)arXiv: 1905.02794v2.
  • [3] D. A. Stewart, “Diffusion of oxygen in amorphous tantalum oxide”, Phys. Rev. Mat. 3, 055605 (2019).
    [4] H. Jiang and D. A. Stewart, “Using dopants to tune oxygen vacancy formation in transition metal oxide resistive memory”, ACS App. Mater. Interfaces 9, 16296 (2017).
  • [5] N. Shukla, R. K. Ghosh, B. Grisafe, S. Datta, “Fundamental mechanism behind volatile and non-volatile switching in metallic conducting bridge RAM”, IEDM 2017.
  • [6] S. C. Pandey, “Atomistic mechanisms of ReRAM cell operation and reliability”, Mater. Red. Express 5, 014005 (2018).
  • [7] R. Ge, X. Wu, M. Kim, P.-A. Chen, J. Shi, J. Choi, X. Li, Y. Zhang, M.-H. Chiang, J. C. Lee and D. Akinwande, “Atomristors: memory effect in atomically-thin sheets and record RF switches”, IEDM 2018.
  • [8] C. Funck, P. C. Schmidt, C. Bäumer, R. Dittmann, M. Martin, R. Waser, S. Menzel, “Atomistic investigation of the Schottky contact conductance limits at SrTiO3 based resistive switching devices”, Non-volatile memory technology symposium, 2018.

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