[論文レビュー] A Study of Apparent Symmetry Breakdown in Perovskite Oxide-based Symmetric RRAM Devices

X. Chen, J. Strozier+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2005

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ペロブスカイト酸化物薄膜であるPr1-xCaxMnO3（PCMO）を用いた対称的二端子RRAMデバイスを提案する。両端子が同一であるが、物理的対称性にもかかわらず、電極近傍の履歴依存抵抗変化のため、非対称な抵抗スイッチングを示す。実験結果はモデルが予測するヒステリシスと一致し、非揮発性メモリ応用のメカニズムが裏付けられる。

ABSTRACT

A new model of a symmetric two-terminal non-volatile RRAM device based on Perovskite oxide thin film materials, specifically Pr1-xCaxMnO3 (PCMO), is proposed and analyzed. The model consists of two identical half-parts, which are completely characterized by the same resistance verses pulse voltage hysteresis loop, connected together in series. Even though the modeled device is physically symmetric with respect to the direction of current, it is found to exhibit switching of the resistance with the application of voltage pulses of sufficient amplitude and of different polarities. The apparent breakdown of parity conservation of the device is attributed to changes in resistance of the active material layer near the electrodes during switching. Thus the switching is history dependent, a feature that can be very useful for the construction of real non-volatile memory devices. An actual symmetric device, not previously reported in the literature and based on the proposed model, is fabricated in the PCMO material system. Measurements of the resistance of this new device generated an experimental hysteresis curve that matches well the calculated hysteresis curve of the model, thus confirming the features predicated by the new symmetric model.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト酸化物で作られた対称的RRAMデバイスにおける顕在的対称性破綻の原因を解明すること。
• 同一のPCMO層を用いた二端子RRAMの物理的対称モデルを構築すること。
• デバイスの対称性にもかかわらず、逆方向の電圧極性でも抵抗スイッチングが発生することを示すこと。
• 提案されたモデルに基づく新規な対称的RRAMデバイスの作製と実験的妥当性の検証すること。
• 電極界面における抵抗変化が、非揮発的かつ履歴依存スイッチングを可能にする役割を確認すること。

提案手法

• デバイスは、同一のPCMO半分層が直列に接続されたものとしてモデル化され、各半層が同じ電圧依存抵抗ヒステリシスを示す。
• スイッチングは、バルク材料の非対称性ではなく、電極近傍の抵抗変化によって駆動されると仮定する。
• 各半デバイスの抵抗-電圧特性に基づいて、理論的ヒステリシス曲線を計算する。
• 同一の上部および下部電極を有するPCMO薄膜を用いて、物理的対称RRAMデバイスを実装する。
• 電圧パルスの振幅および極性を変化させ、抵抗測定を実施して実験的ヒステリシス曲線を生成する。
• 理論的および実験的ヒステリシス曲線を比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的対称性を持つRRAMデバイスが、逆方向の電圧極性でも非対称なスイッチングを示すのはなぜか？
• RQ2 ペロブスカイト酸化物（例：PCMO）を用いた対称的二端子RRAMデバイスは、非揮発的抵抗スイッチングを示せるか？
• RQ3 同一の電極材料を有するにもかかわらず、このようなデバイスで顕在的対称性が破綻するのは何が原因か？
• RQ4 電極近傍の界面抵抗変化は、履歴依存スイッチングにどのように寄与するか？
• RQ5 実験的ヒステリシス曲線は、対称モデルの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 提案された対称的RRAMモデルは、両極性の電圧パルス下での抵抗ヒステリシスを正確に予測している。
• 作製されたPCMOベースデバイスの実験的測定結果は、理論的ヒステリシス曲線と優れた一致を示している。
• 顕在的対称性破綻は、スイッチング中に電極近傍の局所的抵抗変化に起因するとされる。
• スイッチング行動は履歴依存的であり、デバイスの非揮発性メモリ能力が確認された。
• デバイスは、正および負の電圧パルスの両方で再現性のあるスイッチングを示し、非揮発性メモリとして動作する。
• 結果は、対称的ペロブスカイト酸化物RRAMが実用的メモリ応用に適していることを裏付けた。