Controllable Growth of Nanoscale Conductive Filaments in Solid-Electrolyte-Based ReRAM by Using a Metal Nanocrystal Covered Bottom Electrode

电阻随机存取存储器 材料科学 纳米晶 纳米技术 纳米尺度 成核 电极 电解质 导电体 光电子学 复合材料 化学 物理化学 有机化学
作者
Qi Liu,Shibing Long,Hangbing Lv,Wei Wang,Jiebin Niu,Zongliang Huo,Junning Chen,Ming Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:4 (10): 6162-6168 被引量:453
标识
DOI:10.1021/nn1017582
摘要

Resistive memory (ReRAM) based on a solid-electrolyte insulator is a promising nanoscale device and has great potentials in nonvolatile memory, analog circuits, and neuromorphic applications. The underlying resistive switching (RS) mechanism of ReRAM is suggested to be the formation and rupture of nanoscale conductive filament (CF) inside the solid-electrolyte layer. However, the random nature of the nucleation and growth of the CF makes their formation difficult to control, which is a major obstacle for ReRAM performance improvement. Here, we report a novel approach to resolve this challenge by adopting a metal nanocrystal (NC) covered bottom electrode (BE) to replace the conventional ReRAM BE. As a demonstration vehicle, a Ag/ZrO2/Cu NC/Pt structure is prepared and the Cu NC covered Pt BE can control CF nucleation and growth to provide superior uniformity of RS properties. The controllable growth of nanoscale CF bridges between Cu NC and Ag top electrode has been vividly observed by transmission electron microscopy (TEM). On the basis of energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and elemental mapping analyses, we further confirm that the chemical contents of the CF are mainly Ag atoms. These testing/metrology results are consistent with the simulation results of electric-field distribution, showing that the electric field will enhance and concentrate on the NC sites and control location and orientation of Ag CFs.
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