비정질 TiO2 및 NiO의 고주파 저항 스위칭 동작

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13804(2022) 이 기사 인용

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TMO(전이금속산화물)의 저항 스위칭(RS)은 차세대 비휘발성 메모리 개발을 위한 매력적인 선택일 뿐만 아니라 필요한 고주파수 및 고속 스위칭을 지원할 수 있는 적합한 재료 제품군으로도 자리 잡았습니다. 6G 등 차세대 무선통신 기술을 위해 RS의 정확한 메커니즘은 아직 명확하게 이해되지 않았습니다. 그러나 활성화 시 각 산화물의 화학양론적 전도성 필라멘트(Magnéli 상)의 형성 및 파열과 관련이 있는 것으로 널리 알려져 있습니다. 여기에서는 DC 영역과 고주파수 모드 모두에서 비정질 TiO2 및 NiO의 스위칭 동작을 조사합니다. 우리는 비정질 TiO2의 DC 저항이 활성 영역의 길이에 따라 변하지 않음을 보여줍니다. 대조적으로, NiO 샘플의 저항은 길이에 강한 의존성을 나타내며, 길이가 증가함에 따라 DC 저항이 감소합니다. 또한 ON 상태의 삽입 손실과 OFF 상태의 절연에 반영되는 TiO2의 고주파수 스위칭 특성이 NiO의 특성보다 훨씬 우수하다는 것을 보여줍니다. 근본적인 추론은 이진/다원 산화물의 전도 메커니즘에 대한 우리의 이해를 풍부하게 할 뿐만 아니라 새로운 비휘발성 메모리 및 6G 밀리미터파 애플리케이션에서 이진/다원 산화물의 광범위한 사용을 가능하게 하는 데 필수적이라는 이러한 발견에서 비롯됩니다. TMO가 지원하는 가능한 애플리케이션의 예로는 여기에 표시된 반사형 가변 감쇠기(RTVA)가 있습니다. 15GHz의 중심 주파수에서 작동하도록 설계되었습니다. 결과는 최대 삽입 손실이 2.1dB인 동적 범위가 18dB 이상임을 나타냅니다.

차세대 비휘발성 메모리(NVM)의 개발은 비충전 기반 메커니즘에 의해 주도될 것으로 널리 예상됩니다. 이는 DRAM(Dynamic Random-Access Memory)과 같은 전하 기반 메모리의 확장 제한 때문입니다. 저항성 스위칭 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 낮은 제조 복잡성, 뛰어난 스위칭 속도 및 성능으로 인해 DRAM을 대체할 주요 경쟁자 중 하나로 상당한 주목을 받아 왔습니다1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. 또한, 높은 스위칭 속도와 높은 동적 비율은 차세대 통신 시스템 개발의 주요 동인이 될 것으로 예상됩니다.

TMO(전이 금속 산화물)를 기반으로 하는 저항성 스위칭(RS)의 물리적 메커니즘은 일반적으로 다음과 같이 유전체에서 전도성 상태로 가역적인 전이를 일으키는 현상의 정확한 특성을 해석해야 하는 고체 물리학에 직면해 있습니다. 모트 전환13. VO2의 금속-절연체 전이는 이제 (균질한) 벌크 현상으로 받아들여지지만, 나머지 TMO의 RS 작동은 전도성 필라멘트의 형성과 파열에 기인할 수 있습니다(그림 1, 2). 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, DC 바이어스 전압을 인가하거나 온도 상승 시 재료 내부에 발생하는 현상이다. 이를 위해 TinO2n-13,14 및 NiO26의 전류 및 전압의 현장 측정을 통해 필라멘트 전도 메커니즘을 실험적으로 확인했습니다. 전도성 필라멘트의 형성은 TMO에 DC 바이어스 전압을 적용하여 전기 주조 공정5,12을 통해 시작되어 화학량론 이하 전도성 필라멘트(소프트 유전체 파괴)가 생성됩니다(그림 2b). DC 바이어스 전압을 반전시키면 TMO 내부의 화학양론이 부분적으로 복원되어 전도성 필라멘트가 파열됩니다(그림 2c). 이 상태에서는 TMO 셀이 갈바니 전도성이 아니므로 RESET 상태라고 합니다. 셀은 그림 2d에 표시된 SET 상태와 같이 DC 전압을 다시 적용하여 갈바닉 전도성을 복원할 수 있습니다.