Ion Migration Polarization in the Yttria Stabilized Zirconia Based Metal-Oxide-Metal and Metal-Oxide-Semiconductor Stacks for Resistive Memory

Abstract

We report the investigations of the ion migration polarization in the yttria stabilized zirconia (YSZ) thin films in the Metal-Oxide-Metal (MOM) and Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) stacks due to the drift of the oxygen vacancies under the external bias voltage applied between the electrodes. The parameters characterizing the drift of the oxygen vacancies in YSZ such as the ion drift activation energy, mobile ion concentration, and the drift mobility have been determined in the temperature range 300–500 K. These data are important for deeper understanding of the fundamental mechanisms of the electroforming and resistive switching in the YSZ-based MOM and MOS stacks, which are promising for the Resistive Random Access Memory (RRAM) and other memristor device applications.

Multilayer Metal‐Oxide Memristive Device with Stabilized Resistive Switching

“…It should be noted that the presence of a higher concentration of vacancies near TE and grain boundaries with a reduced energy of oxygen ion migration in the ZrO 2 (Y) film creates the necessary conditions for the growth of conducting filaments along the grain boundaries under the action of electric field and Joule heating, as was previously reported …”

“…In accordance with our experimental data, the dielectric properties of device in the IS state (Figure a) are provided by the ZrO 2 (Y) and Ta 2 O 5 layers. The ZrO 2 (Y) layer contains the initial concentration of oxygen vacancies corresponding to the degree of yttrium doping (about 6% of total number of oxygen sites) and grain boundaries (nominally marked as GB with dashed lines), which are characterized by the oxygen depletion and lower activation energy for the migration of oxygen vacancies . The Ta 2 O 5 film contains an excess of tantalum atoms and inter‐columnar boundaries (despite the amorphous structure).…”

Электрофизические Характеристики Многослойных Мемристивных Наноструктур На Основе Стабилизированного Иттрием Диоксида Циркония И Оксида Тантала

“…Этот гистерезис проявлялся уже при комнатной температуре и может быть объяснен захватом свободных электронов на глубокие ловушки, локализованные в диэлектрике на границе с металлической обкладкой, переходом части этого заряда на металл и возникновением электрического поля в диэлектрике, создающего в нем ток при отсутствии внешнего напряжения. Поверхностная концентрация этих ловушек N t , согласно [11], может быть оценена по площади петли гистерезиса ВАХ Q из соотношений…”

“…3 (кривые 1, 2), следует, что с увеличением температуры выше 410 K (измерения проводились в интервале 300−510 K) электронный ЭЭ переходил в ионный ЭЭ. На это указывает и то, что в указанном температурном интервале c ростом температуры был обнаружен рост квазистатической емкости из-за миграционной поляризации ионов [11]. Энергия активации первого эффекта составляет около 0.19 eV, а второго -0.5 eV.…”

“…Энергия активации первого эффекта составляет около 0.19 eV, а второго -0.5 eV. Значение 0.5 eV хорошо соответствует энергии активации миграции вакансий кислорода по границам зерен в ZrO 2 (Y) [11]. Из температурной зависимости петли ионного гистерезиса (рис.…”