[論文レビュー] Resistive Switching and Current Conduction Mechanisms in Hexagonal Boron Nitride Threshold Memristors with Nickel Electrodes

Lukas Völkel, Dennis Braun+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2023

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ニッケル/六方炭化ホウ素/ニッケル（h-BN）の多層膜におけるボロン欠陥に沿ったニッケルフィラメントの形成および収縮が、ニッケル/多層h-BN/ニッケルのしきい値メモリスタの抵抗性スイッチングメカニズムであると提案している。温度依存性電流-電圧測定および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて、10⁷の広いオン/オフ比、低スタンバイ電流、およびわずか5%のサイクルごとのばらつきを実証し、電気的特性評価が2次元メモリスタ分析の強固なツールであることを確立した。

ABSTRACT

The two-dimensional (2D) insulating material hexagonal boron nitride (h BN) has attracted much attention as the active medium in memristive devices due to its favorable physical properties, among others, a wide bandgap that enables a large switching window. Metal filament formation is frequently suggested for h-BN devices as the resistive switching (RS) mechanism, usually supported by highly specialized methods like conductive atomic force microscopy (C-AFM) or transmission electron microscopy (TEM). Here, we investigate the switching of multilayer hexagonal boron nitride (h-BN) threshold memristors with two nickel (Ni) electrodes through their current conduction mechanisms. Both the high and the low resistance states are analyzed through temperature-dependent current-voltage measurements. We propose the formation and retraction of nickel filaments along boron defects in the h-BN film as the resistive switching mechanism. We corroborate our electrical data with TEM analyses to establish temperature-dependent current-voltage measurements as a valuable tool for the analysis of resistive switching phenomena in memristors made of 2D materials. Our memristors exhibit a wide and tunable current operation range and low stand-by currents, in line with the state of the art in h-BN-based threshold switches, a low cycle-to-cycle variability of 5%, and a large On/Off ratio of 10${^7}$.

研究の動機と目的

• ニッケル電極を有する多層六方炭化ホウ素（h-BN）のしきい値メモリスタにおける抵抗性スイッチングメカニズムを特定すること。
• h-BNベースのメモリスタにおける高抵抗状態および低抵抗状態の電流伝導メカニズムを理解すること。
• 温度依存性電流-電圧測定が、2次元材料における抵抗性スイッチングの診断ツールとして信頼できるものかどうかを検証すること。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて電気的挙動と微細構造的特徴を関連付けること。
• オン/オフ比、スタンバイ電流、サイクルごとのばらつきといったデバイス性能指標を評価すること。

提案手法

• 高抵抗状態および低抵抗状態における伝導メカニズムを分析するために、ニッケル/六方炭化ホウ素/ニッケルメモリスタデバイスに対して温度依存性電流-電圧（I-V）測定を実施した。
• 六方炭化ホウ素層内のボロン欠陥部におけるニッケルフィラメントの形成および収縮を直接観察するために、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 電気的データとTEM結果を併用して、抵抗性スイッチング挙動と微細構造的特徴の相関を分析した。
• 2端子構造を採用し、ニッケル電極を用いてしきい値スイッチング挙動を実現した。
• 複数のデバイスにおいてオン/オフ比、スタンバイ電流、サイクルごとのばらつきといった主要な性能指標を測定した。
• アレニウスモデルを適用して、温度依存性I-Vデータから活性化エネルギーを抽出し、伝導メカニズムの同定に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニッケル電極を有する多層h-BNメモリスタにおける支配的抵抗性スイッチングメカニズムは何か？
• RQ2 h-BNベースのメモリスタにおける高抵抗状態と低抵抗状態の間で、電流伝導メカニズムはどのように異なるか？
• RQ3 温度依存性I-V測定は、2次元材料における抵抗性スイッチングの診断にどの程度信頼できるツールとして機能するか？
• RQ4 ニッケルフィラメントはh-BN格子内の原子的欠陥に対して、どこに形成され、どこから収縮するか？
• RQ5 ニッケル/六方炭化ホウ素/ニッケルのしきい値メモリスタの主な性能指標（オン/オフ比、スタンバイ電流、ばらつきなど）は何か？

主な発見

• ニッケル/六方炭化ホウ素/ニッケルメモリスタにおける抵抗性スイッチングメカニズムは、h-BN層内のボロンバケンに沿ったニッケルフィラメントの形成および収縮に起因するとされている。
• 温度依存性I-V測定により、高抵抗状態および低抵抗状態で明確に異なる伝導メカニズムが明らかになり、活性化エネルギーは熱的に駆動される輸送と整合的であった。
• デバイスは10⁷の高いオン/オフ比を示しており、メモリおよび論理応用に適した強いスイッチング対比を示している。
• スタンバイ電流は低く抑えられており、低消費電力動作に不可欠なしきい値スイッチング挙動が確認された。
• サイクルごとのばらつきはわずか5%にとどまり、高いデバイス再現性および信頼性を示している。
• TEM分析により、ボロン欠陥部にニッケルフィラメントが存在することが確認され、提案されたスイッチングメカニズムの妥当性が裏付けられた。