[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于钙钛矿氧化物Pr1-xCaxMnO3（PCMO）薄膜的对称双端 RRAM 器件，其中两个电极完全相同。尽管具有物理对称性，器件仍表现出非对称的电阻开关特性，这是由于电极附近存在依赖历史的电阻变化，证实了表观对称性破缺。实验结果与模型预测的迟滞特性相符，验证了该机制在非易失性存储应用中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 研究基于钙钛矿氧化物的对称 RRAM 器件中表观对称性破缺的起源。
• 基于相同的 PCMO 薄膜，建立一种双端 RRAM 的物理对称模型。
• 证明即使器件具有对称性，电阻开关仍可在相反电压极性下发生。
• 基于所提出的模型，制备并实验验证一种新型对称 RRAM 器件。
• 确认电极界面电阻变化在实现非易失性、依赖历史的开关行为中的作用。

提出的方法

• 将器件建模为两个相同的 PCMO 半层串联连接，每个半层均表现出相同的电压依赖性电阻迟滞特性。
• 该模型假设开关行为由电极附近电阻的变化引起，而非体材料的不对称性。
• 基于每个半器件的电阻-电压行为，计算理论迟滞曲线。
• 使用具有相同上下电极的 PCMO 薄膜制备物理对称的 RRAM 器件。
• 通过施加不同幅度和极性的电压脉冲进行电阻测量，生成实验迟滞曲线。
• 将理论与实验迟滞曲线进行比较，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何物理对称的 RRAM 器件在相反电压极性下表现出非对称开关特性？
• RQ2 基于钙钛矿氧化物（如 PCMO）的对称双端 RRAM 器件能否实现非易失性电阻开关？
• RQ3 尽管电极材料完全相同，此类器件中表观对称性破缺的成因是什么？
• RQ4 电极附近界面电阻的变化如何促进依赖历史的开关行为？
• RQ5 实验迟滞曲线与对称模型预测结果的吻合程度如何？

主要发现

• 所提出的对称 RRAM 模型能准确预测在两种极性电压脉冲下的电阻迟滞特性。
• 所制备的 PCMO 基器件的实验测量结果与理论迟滞曲线高度一致。
• 表观对称性破缺归因于开关过程中电极附近局部电阻的变化。
• 开关行为具有依赖历史的特性，证实了器件的非易失性存储能力。
• 该器件可在正负电压脉冲下实现可重复的非易失性开关，表现良好。
• 结果验证了利用对称钙钛矿氧化物 RRAM 实现实际存储应用的可行性。