DE102022116981A1 - Memristive struktur und memristive vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine memristive Struktur (100) bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine erste Elektrode (110), eine zweite Elektrode (120) und ein memristives Element (130), das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; wobei das memristive Element (130) ein memristives Material aufweist, das eine ferroelektrische Polarisationsfähigkeit aufweist, und wobei das memristive Material eine kristalline Mikrostruktur aufweist, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Verschiedene Aspekte betreffen eine memristive Struktur und eine memristive Vorrichtung.
  • Hintergrund
  • Im Allgemeinen beruhen verschiedene Datenverarbeitungsanwendungen auf Transistortechnologien. Es wurde jedoch festgestellt, dass auch Widerstands-Crossbar-Arrays für einige Datenverarbeitungsanwendungen nützlich sein können. Solche widerstandsbasierten Technologien wurden weiterentwickelt, um eine selektive Neukonfiguration eines elektrischen Widerstands von Widerständen zu ermöglichen. Solche Vorrichtung mit einem nichtflüchtigen, rekonfigurierbaren elektrischen Widerstand können beispielsweise als memristive Vorrichtungen oder Memristoren bezeichnet werden. Memristor-Crossbar-Arrays wurden entwickelt, um Transistoren und Speicherzellen in einigen Datenverarbeitungs- und Datenspeicheranwendungen zu ersetzen. Allerdings kann ein Auftreten von Leckströmen in Memristor-basierten Crossbar-Arrays eine Skalierbarkeit solcher Strukturen einschränken. Daher wurden mehrere Arten von Memristoren mit nichtlinearem Widerstandsverhalten vorgeschlagen, um Leckströme beim Rekonfigurieren und Auslesen selektiver Memristoren gegenüber nichtselektiven Memristoren zu reduzieren. Dazu gehören sogenannte komplementäre Widerstandsschalter, die zwei in Reihe geschaltete memristive Strukturen aufweisen, wobei ein Nachteil dieser Technologie darin bestehen kann, dass der elektrische Widerstand des komplementären Widerstands nur destruktiv ausgelesen werden kann und daher der komplementäre Widerstand nach dem Auslesen neu zu schreiben ist. Ein Ansatz zum zerstörungsfreien Auslesen eines Zustands eines komplementären Widerstandsschalters kann auf Kapazitätsmessungen basieren. Ein komplementärer Widerstandsschalter kann eine zweischichtige memristive Struktur mit starkem nichtlinearen Widerstandsverhalten oder eine einschichtige memristive Struktur mit starkem nichtlinearen Widerstandsverhalten aufweisen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern der Schwerpunkt liegt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1A und 1B zeigen schematisch verschiedene Aspekte einer memristiven Struktur;
    • 2A bis 2E zeigen beispielhafte Rasterelektronenmikroskopbilder eines memristiven Elements einer memristiven Struktur gemäß verschiedenen Aspekten;
    • 3A bis 3C zeigen Aspekte der elektrischen Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten einer memristiven Struktur;
    • 4A bis 4C zeigen Aspekte elektrischer Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten eines memristiven Elements mit einem überlagerten ferroelektrischen Schalten des memristiven Elements;
    • 5A bis 5C zeigen Aspekte elektrischer Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten eines memristiven Elements mit einem überlagerten ferroelektrischen Schalten des memristiven Elements;
    • 6A bis 6C zeigen Aspekte der elektrischen Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten eines memristiven Elements mit einem überlagerten ferroelektrischen Schalten des memristiven Elements;
    • 7A bis 7C zeigen Aspekte der elektrischen Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten eines memristiven Elements mit einem überlagerten ferroelektrischen Schalten des memristiven Elements;
    • 8A bis 8E zeigen schematisch verschiedene Aspekte einer memristiven Struktur;
    • 9 zeigt schematisch eine memristive Vorrichtung gemäß verschiedenen Aspekten; und
    • 10A bis 10D zeigen Aspekte der elektrischen Eigenschaften gemäß einem Barriere-Schalten eines memristiven Elements mit einem überlagerten ferroelektrischen Schalten des memristiven Elements.
  • Beschreibung
  • Die folgende Ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung bestimmte Details und Aspekte zeigen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Aspekte sind ausreichend detailliert beschrieben, um dem Fachmann die Möglichkeit zu geben, die Erfindung anzuwenden. Andere Aspekte können verwendet werden und strukturelle, logische, und elektrische Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die verschiedenen Aspekte schließen sich nicht zwangsläufig gegenseitig aus, da einige Aspekte mit einem oder mehreren anderen Aspekten kombiniert werden können, um neue Aspekte zu bilden. Verschiedene Aspekte werden im Zusammenhang mit Verfahren beschrieben und verschiedene Aspekte werden im Zusammenhang mit Vorrichtungen (z.B. Anordnungen) beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass Aspekte, die im Zusammenhang mit Verfahren beschrieben werden, in ähnlicher Weise auch für Vorrichtungen gelten können und umgekehrt.
  • Die Begriffe „mindestens eine“ und „eine oder mehrere“ können so verstanden werden, dass diese jede Ganzzahl größer oder gleich eins aufweisen, d. h. eins, zwei, drei, vier, [...] usw. Der Begriff „eine Vielzahl“ kann so verstanden werden, dass diese jede Ganzzahl größer oder gleich zwei, d. h. zwei, drei, vier, fünf, [...] usw. aufweist. Der Ausdruck „mindestens eines von“ in Bezug auf eine Gruppe von Elementen kann hierin verwendet werden, um mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus den Elementen zu bedeuten. Beispielsweise kann der Ausdruck „mindestens eines von“ in Bezug auf eine Gruppe von Elementen hier verwendet werden, um eine Auswahl von: einem der aufgelisteten Elemente von einer Vielzahl der aufgelisteten Elemente, von einer Vielzahl einzelner aufgelisteter Elemente oder von einer Vielzahl eines Vielfachen der aufgelisteten Elemente zu bedeuten.
  • Der Begriff „gekoppelt“ kann hierin in Bezug auf Knoten, Schaltungselemente und dergleichen verwendet werden, und eine, z. B. direkte oder indirekte, Verbindung und/oder Interaktion bedeuten. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette (z. B. einem elektrisch leitenden Pfad) miteinander gekoppelt sein, entlang derer die Wechselwirkung (z. B. elektrische Ladungen) übertragen werden kann. Beispielsweise können zwei miteinander gekoppelte Elemente miteinander interagieren.
  • In einigen Aspekten können zwei physikalische und/oder chemische Eigenschaften (z. B. eine elektrische Spannung, ein elektrischer Strom, eine elektrische Leitfähigkeit, eine Dicke, eine elektrische spezifische Leitfähigkeit, eine Dotierungskonzentration unter Verwendung der relativen Begriffe wie zum Beispiel „größer“, „höher“, „niedriger“, „kleiner“ oder „gleich“ miteinander verglichen werden. Es versteht sich, dass in einigen Aspekten ein Vergleich ein Vorzeichen (positiv oder negativ) eines Werts aufweisen kann, der die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften darstellt, oder dass in anderen Aspekten die absoluten Werte für den Vergleich berücksichtigt werden. Ein Vergleich von Messwerten, die eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft darstellen, kann jedoch in der Regel eine Messung dieser Messwerte nach demselben Messprinzip oder zumindest nach vergleichbaren Messprinzipien aufweisen.
  • Verschiedene Aspekte beziehen sich auf spezifische Konfigurationen eines memristiven Elements, das ein gewünschtes memristives Schaltverhalten zeigt (z.B. ein konfigurierbares Schaltverhalten der Barrierehöhe), wobei das memristive Element ein ferroelektrisches Material aufweist. Das ferroelektrische Material kann in einigen Aspekten ein unerwünschtes Material sein, das in dem memristiven Element als Verunreinigung zusätzlich zu einem memristiven Material enthalten ist; oder in anderen Aspekten kann ein memristives Material des memristiven Elements inhärente ferroelektrische Eigenschaften haben. Falls ein ferroelektrisches Material in einem memristiven Element enthalten ist, kann das memristive Element in einigen Aspekten ein ferroelektrisches Schaltverhalten zeigen, das dem memristiven Schaltverhalten überlagert ist. Eine solche Überlagerung von zwei Schalteffekten kann in einigen Aspekten zu Problemen beim Betrieb des memristiven Elements in seiner memristiven Funktion führen. Daher werden hier gemäß verschiedenen Aspekten verschiedene Konfigurationen eines memristiven Elements beschrieben, die ein wesentliches ferroelektrisches Schalten eines solchen memristiven Elements, das ein ferroelektrisches Material enthält, vermeiden.
  • Gemäß einigen Aspekten kann eine memristive Struktur eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element aufweisen, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Das memristive Element kann ein memristives Material aufweisen, das eine (z.B. inhärente) ferroelektrische Polarisationsfähigkeit aufweist, und das memristive Material kann eine kristalline Mikrostruktur aufweisen, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  • Gemäß anderen Aspekten kann eine memristive Struktur eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element aufweisen, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Das memristive Element kann ein memristives Material und ein ferroelektrisches Material aufweisen, wobei das ferroelektrische Material eine kristalline Mikrostruktur aufweisen kann, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  • Ein Unterdrücken eines wesentlichen ferroelektrischen Schaltens in einem memristiven Element ermöglicht einen memristiven Betrieb des memristiven Elements, selbst wenn ein ferroelektrisches Material beteiligt ist, das dazu neigt, eine ferroelektrische Schaltstörung während des memristiven Betriebs des memristiven Elements zu verursachen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wird eine kristalline Mikrostruktur des Materials, das in dem memristiven Element enthalten ist, während der Herstellung des memristiven Elements gesteuert und als Ergebnis kann eine gewünschte kristalline Mikrostruktur bewirkt werden, um in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  • Es wurde erkannt, dass in einigen Aspekten die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer bestimmten durchschnittlichen Kristallitgröße (z.B. Höhe, Durchmesser und/oder Breite) sein kann, um ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken. Es wurde erkannt, dass in einigen Aspekten die Dicke des memristiven Elements größer als das Doppelte der durchschnittlichen Kristallithöhe sein kann, um ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken. Es wurde erkannt, dass im Allgemeinen eine vergleichsweise kleine Kristallitgröße (z.B. im Verhältnis zur Abmessung des memristiven Elements) eine räumliche Anordnung der Kristallite (z.B. räumliche Verteilung und/oder Orientierung) in einem Schichtteil (z.B. dem aktiven Schichtteil des memristiven Elements, der das funktionelle memristive Material enthält) ermöglichen kann, die eine Unterdrückung eines wesentlichen ferroelektrischen Schaltens des memristiven Elements erlaubt.
  • Wenn beispielsweise die räumliche Orientierung der Kristallite eines polykristallinen memristiven Materials (oder eines ferroelektrischen Materials) zufällig verteilt ist (z.B. zumindest in Bezug auf die Richtung eines elektrischen Schaltfeldes, das durch Elektroden in der Nähe des memristiven Elements erzeugt wird), kann ein (z.B. durch Anlegen einer Rampenspannung an das memristive Element kontaktierende Elektroden erzeugter) Polarisationsstrom verringert werden, da sich die Strombeiträge, die einem Polarisations-Schalten von entgegengesetzt orientierten Kristalliten zugeordnet sind, zumindest teilweise kompensieren. Wenn eine zufällige räumliche Verteilung der Kristallite vorliegt, kann eine größere Anzahl von Kristalliten folglich zu einer effizienteren Reduzierung eines unerwünschten Polarisationsstromeffekts während des Betriebs des memristiven Elements führen.
  • Zum Beispiel, wenn eine räumliche Orientierungsverteilung von einem oder mehreren Kristalliten mit ferroelektrischen Eigenschaften so bereitgestellt ist, dass eine Hauptpolarisationsrichtung des einen oder der mehreren Kristallite im Wesentlichen senkrecht zu einer Richtung eines durch Elektroden in der Nähe des memristiven Elements erzeugten elektrischen Schaltfeldes orientiert ist. In einer solchen Konfiguration kann ein Polarisationsstrom (z.B. durch Anlegen einer Rampenspannung an Elektroden in Kontakt mit dem memristiven Element) verringert werden, da die Polarisationsrichtung eines oder mehrerer Kristallite nicht durch das elektrische Schaltfeld geschaltet wird, da das elektrische Schaltfeld im Wesentlichen senkrecht zur Hauptpolarisationsrichtung des einen oder der mehreren Kristallite ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wurde erkannt, dass eine einem Polarisations-Schalten des memristiven Elements zugeordnete Koerzitivspannung modifiziert werden kann, indem die kristalline Mikrostruktur des memristiven Materials und/oder des ferroelektrischen Materials des memristiven Elements derart gesteuert wird, dass die Koerzitivspannung außerhalb eines Schreibspannungsbereichs (z.B. unterhalb oder oberhalb des Schreibspannungsbereichs) liegt, der einem memristiven Schalten des memristiven Elements zugeordnet ist. Diese Konfiguration kann es ermöglichen, das memristive Element im Schreibspannungsbereich zu betreiben, ohne das Polarisations-Schalten zu verursachen oder die memristiven Eigenschaften (z.B. die Lese-/Schreibeigenschaften) durch das Polarisations-Schalten zu beeinflussen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann eine memristive Vorrichtung eine memristive Struktur aufweisen. Die memristive Struktur kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, aufweisen. Das memristive Element kann ein memristives Material aufweisen, das eine Barriere-Schaltfähigkeit und eine ferroelektrische Schaltfähigkeit aufweisen, und das memristive Element kann eingerichtet sein, in Reaktion auf ein mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten und ein Barriere-Schalten des memristiven Elements verursachenden Spannungsabfall ein ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements im Wesentlichen zu unterdrücken. Die memristive Vorrichtung kann ferner mindestens eine Steuerschaltung aufweisen, um einen Lesevorgang des memristiven Elements zu steuern. Die Steuerschaltung kann eingerichtet sein, das memristive Element mittels einer Lesespannung in einem Lesespannungsbereich auszulesen und/oder das memristive Element mittels einer Schreibspannung in einem Schreibspannungsbereich zu schreiben. Der Schreibspannungsbereich kann sich von dem Lesespannungsbereich unterscheiden. Eine dem ferroelektrischen Schalten zugeordnete Koerzitivspannung kann außerhalb des Lesespannungsbereichs und/oder außerhalb des Schreibspannungsbereichs liegen.
  • 1A und 1B zeigen verschiedene schematische Ansichten einer memristiven Struktur 100 gemäß verschiedenen Aspekten. Die memristive Struktur 100 kann z.B. Teil einer memristiven Vorrichtung sein, die eine oder mehrere memristive Strukturen 100 und eine Steuervorrichtung zum Betreiben der einen oder mehreren memristiven Strukturen 100 aufweisen kann.
  • Die memristive Struktur 100 kann eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 aufweisen. Die erste Elektrode 110 und/oder die zweite Elektrode 120 können jedes geeignete elektrisch leitenden Material aufweisen (z.B. daraus bestehen), z.B. Al, Cu, Ti, AlCu, TiN, W, Ta, nur als Beispiele. Wie in 1A und 1B dargestellt, kann die memristive Struktur 100 mindestens zwei Elektroden 110, 120 in einer Kondensator-ähnlichen Anordnung aufweisen, die die Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem Raum zwischen den mindestens zwei Elektroden 110, 120 ermöglicht. Die Konfiguration der mindestens zwei Elektroden 110, 120 kann die Richtung des elektrischen Feldes definieren und damit die Polarisationseffekte eines Materials beeinflussen, das sich zwischen den mindestens zwei Elektroden 110, 120 befindet. In einigen Konfigurationen können die mindestens zwei Elektroden 110, 120 eine planare Form haben (z.B. in der Ebene 103/105) und das elektrische Feld kann senkrecht zu den planar geformten Elektroden gerichtet sein (z.B. parallel zur Richtung 101, die senkrecht zu den Richtungen 103 und 105 ist, die die Ebene 103/105 definieren). Es können jedoch auch andere Konfigurationen (z.B. abgewinkelte oder gebogene Elektroden) verwendet werden. In einigen Aspekten können die mindestens zwei Elektroden 110, 120 als Teile von Steuerleitungen 111/121 konfiguriert sein (z.B. für den Fall, dass die memristive Struktur 100 Teil eines Crossbar-Arrays ist). Die memristiven Strukturen 100 können jedoch in jeder geeigneten Art von Array mit geeigneten Steuerleitungen angeordnet sein.
  • Die memristive Struktur 100 kann ferner ein memristives Element 130 aufweisen. Das memristive Element 130 kann zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet sein. Der Bereich, in dem die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 einander überlappen, kann (z.B. teilweise oder vollständig) mit dem memristiven Material 101m gefüllt sein. Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 (z.B. das memristive Material des memristiven Elements 130) in elektrischem Kontakt mit den mindestens zwei Elektroden 110, 120 sein. Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 (z.B. das memristive Material des memristiven Elements 130) in direktem physischen Kontakt sowohl mit der ersten Elektrode 110 als auch mit der zweiten Elektrode 120 sein. Daher kann gemäß verschiedenen Aspekten eine Abmessung 101d (z.B. eine Höhe oder eine Dicke) des memristiven Elements 130 durch einen Abstand zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 definiert sein. Der Abstand von der ersten Elektrode 110 zu der zweiten Elektrode 120 kann als kürzestes Abstandsmaß verstanden werden, z.B. senkrecht zu Ebenen, in denen die Elektroden ausgebildet sind. Gemäß verschiedenen Aspekten kann die Abmessung 101 d (z.B. die Höhe) des memristiven Elements 130 in einem vordefinierten Bereich liegen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann durch Anlegen von Spannungen an die erste Elektrode 110 und/oder die zweite Elektrode 120 ein Spannungsabfall (z.B. ein Rampenspannungsabfall) über dem memristiven Element 130 erzeugt werden. Der Spannungsabfall kann verwendet werden, um bestimmte Funktionen auszulösen, z.B. um das memristive Element 130 zu schreiben (z.B. im Sinne eines Schaltens der Barrierehöhe), um das memristive Element 130 zu lesen und/oder um das memristive Element 130 zurückzusetzen. Der Spannungsabfall kann jedoch auch ein elektrisches Feld (z.B. Schaltfeld) erzeugen, das die Polarisation eines ferroelektrischen Materials (z.B. das ferroelektrische Kristallite von einer positiven Polarisation zu einer negativen Polarisation oder umgekehrt schalten kann), das in dem memristiven Element 130 enthalten ist, verändern kann. Daher kann das memristive Element 130 gemäß verschiedenen Aspekten eingerichtet sein, eine Änderung der Polarisation des im memristiven Element 130 enthaltenen ferroelektrischen Materials zu unterdrücken, selbst wenn ein entsprechender Spannungsabfall über dem memristiven Element 130 erzeugt wird.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 ein Material aufweisen, das eine ferroelektrische (z.B. remanent polarisierbare) Polarisationsfähigkeit besitzt. In einigen Aspekten kann das memristive Element 130 ein memristives Material (z.B. BiFexOy) aufweisen, das eine inhärente ferroelektrische Polarisationsfähigkeit besitzt; oder in anderen Aspekten kann das memristive Element 130 ein memristives Material aufweisen, das keine inhärente ferroelektrische Eigenschaft besitzt, aber das memristive Element 130 weist zusätzlich ein ferroelektrisches Material auf.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Material und/oder das ferroelektrische Material eine kristalline Mikrostruktur aufweisen, die konfiguriert ist, ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element zu unterdrücken. Die kristalline Mikrostruktur kann eine polykristalline Mikrostruktur oder eine monokristalline Mikrostruktur sein. Der mögliche Einfluss der kristallinen Mikrostruktur auf die Eigenschaften des memristiven Betriebs wird nachstehend genauer beschrieben.
  • Die kristalline Mikrostruktur kann volumenbasiert analysiert werden, z.B. durch Röntgenanalyse. In einigen Aspekten kann die kristalline Mikrostruktur im Querschnitt analysiert werden, z.B. mit TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) oder Querschnitts-SEM (Rasterelektronenmikroskopie). Die kristalline Mikrostruktur kann während der Herstellung des memristiven Elements 130 gesteuert werden (z.B. in Bezug auf die Größe und Form der Kristallite, die Anzahl der Kristallite, die räumliche Orientierung der Kristallite, nur als Beispiel).
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein memristives Element 130 als ein polykristallines Material betrachtet werden, wenn zwei oder mehr (z.B. zehn oder mehr) Kristallite in der effektiven memristiven Fläche zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet sind. Gemäß verschiedenen Aspekten kann ein memristives Element 130 als ein einkristallines Material betrachtet werden, wenn nur ein Kristallit in der effektiven memristiven Fläche zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Materialeigenschaften des memristiven Elements 130 außerhalb des effektiven memristiven Bereichs (z.B. außerhalb eines Bereichs, in dem sich die erste Elektrode 110 und die zweite Elektrode 120 überlappen) können für die Funktion der memristiven Struktur 100 nicht entscheidend sein.
  • In dem Fall, dass die kristalline Mikrostruktur des memristiven Elements 130 polykristallin ist, kann das memristive Element 130 einen oder mehrere Kristallite aufweisen, die eine durchschnittliche Kristallitgröße aufweisen (z.B. eine durchschnittliche Kristallithöhe gemessen in Richtung 101 und/oder eine durchschnittliche Kristallitbreite gemessen senkrecht zur Richtung 101, z.B. in der Ebene 103/105). Der Ausdruck Durchschnitt kann in diesem Zusammenhang ein arithmetisches Mittel über die Kristallithöhe und/oder -breite aller Kristallite des memristiven Elements 130 (z.B. aller Kristallite, die sich in einem effektiven memristiven Bereich zwischen den mindestens zwei Elektroden 110, 120 befinden) aufweisen. Die Kristallithöhe kann als maximale Abmessung eines Kristallits in Höhenrichtung (z.B. parallel zur Richtung 101, z.B. im Wesentlichen senkrecht zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode 110 und/oder senkrecht zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode 120) definiert werden. Die Kristallithöhe kann als maximale Abmessung eines Kristallits in einer Richtung definiert werden, die im Wesentlichen parallel zu einem elektrischen Feld verläuft, das mittels der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 beim Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 erzeugt wird. Die Kristallitbreite kann als maximale Abmessung eines Kristallits in Breitenrichtung (z.B. parallel zu Richtung 103 und/oder Richtung 105, z.B. im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode 110 und/oder senkrecht zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode 120) definiert werden. Die Kristallitbreite kann als maximale Abmessung eines Kristallits in einer Richtung definiert werden, die im Wesentlichen senkrecht zu einem elektrischen Feld verläuft, das mittels der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 beim Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 erzeugt wird.
  • Wenn die kristalline Mikrostruktur eines oder mehrerer Materialien, die das memristive Element 130 bilden, eine polykristalline Mikrostruktur ist, ist die kristalline Mikrostruktur durch eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kristalliten 230 charakterisiert, wie in den 2A bis 2E beispielhaft dargestellt. Normalerweise sind die jeweiligen Kristallite (auch als Körner bezeichnet) durch sogenannte Korngrenzen voneinander getrennt. Jedem der Kristallite ist eine räumliche Orientierung zugeordnet. In einigen Aspekten kann die räumliche Orientierung zufällig auf die Vielzahl der Kristallite verteilt sein. Der Ausdruck zufällig kann in Bezug auf die Gesamtzahl der Kristallite verstanden werden, z.B. kann die Anzahl der verschiedenen räumlichen Orientierungen, die in einer zufälligen Orientierungsverteilung vorhanden sind, z.B. größer als 5, größer als 50 oder größer als 500 sein. In diesem Sinne kann zufällig als nicht in eine Richtung orientiert angesehen werden. Wenn die Anzahl der Kristallite beispielsweise nur zwei beträgt, kann eine zufällige Orientierung so verstanden werden, dass die beiden Kristallite in wesentlich unterschiedliche Raumrichtungen ausgerichtet sind (z.B. in entgegengesetzte Richtungen oder die Richtungen können um einen Winkel von mindestens 45° voneinander abweichen).
  • Die räumliche Orientierung kann in Bezug auf die Höhenrichtung (z.B. eine Richtung außerhalb der Ebene), in Bezug auf eine laterale Richtung (Richtung innerhalb der Ebene), die im Wesentlichen senkrecht zur Höhenrichtung ist, und/oder in Bezug auf eine Referenzrichtung, die senkrecht zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode 110 und/oder senkrecht zu einer dem memristiven Element 130 zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode 120 zufällig verteilt (oder zumindest nicht vollständig strukturiert) sein. Die räumliche Orientierung kann einen Einfluss auf die Hauptpolarisationsrichtung (z.B. durch die Pfeile in 6 und 7 angezeigt) der Kristallite haben, da die Polarisationseigenschaften eines Kristallits mit der Kristallstruktur des Kristallits gekoppelt sind.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten wurde erkannt, dass die Mikrostruktur eines memristiven Materials während und/oder nach dem Wachstum des memristiven Materials, das das memristive Element 130 einer memristiven Struktur 100 bildet, gesteuert werden kann. 2A bis 2E zeigen beispielhafte rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines memristiven Materials (z.B., das für eine memristive Struktur 100 verwendet werden kann) in einer Draufsicht, gemäß verschiedenen Aspekten. In der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme ist die Kristallinität des Materials (z.B. die einzelnen Körner), das das memristive Element 130 bildet, deutlich zu erkennen. Wie dargestellt, unterscheiden sich die jeweiligen Kristallite 230 des memristiven Materials in Bezug auf ihre Breite und Form voneinander. In einigen Aspekten kann die Höhe der jeweiligen Kristallite gleich (oder geringer) als die Dicke des memristiven Elements 130 sein.
  • Die jeweilige Breite der Kristallite 230 entlang der lateralen Richtung kann z.B. weniger als 2 µm betragen. Die durchschnittliche Breite der Kristallite kann z.B. weniger als 2 µm betragen. Die Breitenrichtung kann parallel zu einer Oberfläche der ersten Elektrode 110, die dem memristiven Element 130 zugewandt ist, definiert sein (z.B. in der Ebene 103/105, die durch die Richtungen 103, 105 definiert ist). Die Breite jedes der Kristallite kann als maximale Abmessung definiert werden, die in einer der lateralen Richtungen gemessen wird (z.B. gemessen in einer Richtung in der Ebene 103/105). Das in 2A gezeigte memristive Element 130 hat eine durchschnittliche Höhe des memristiven Elements 130 von etwa 555 nm. Die Kristallitbreite liegt zwischen 300 nm und 1200 nm. Das in 2B gezeigte memristive Element 130 hat eine durchschnittliche Höhe des memristiven Elements 130 von etwa 662 nm. Die Kristallitbreite liegt zwischen 300 nm und 600 nm. Das in 2C gezeigte memristive Element 130 hat eine durchschnittliche Höhe des memristiven Elements 130 von etwa 609 nm. Die Kristallitbreite liegt zwischen 400 nm und 900 nm. Das in 2D gezeigte memristive Element 130 hat eine durchschnittliche Höhe des memristiven Elements 130 von etwa 531 nm. Die Kristallitbreite liegt zwischen 350 nm und 1100 nm. Das in 2E gezeigte memristive Element 130 hat eine durchschnittliche Höhe des memristiven Elements 130 von etwa 260 nm. Die Kristallitbreite liegt zwischen 80 nm und 150 nm.
  • Verschiedene Aspekte betreffen ein memristives Element 130 (z.B. ein analoges memristives Element 130), das in einer memristiven Struktur 100 (z.B. in einer analogen memristiven Struktur 100) und/oder einer memristiven Vorrichtung (z.B. in einer analogen memristiven Strukturvorrichtung), die eine oder mehrere memristive Strukturen 100 (z.B. eine oder mehrere analoge memristive Strukturen 100) aufweist, enthalten ist. Eine memristive Struktur (auch als Widerstandsschalter, Memristor, Memristor-Element oder Memristor-Struktur bezeichnet) kann als analoge memristive Struktur betrachtet werden, wenn die memristive Struktur eine kontinuierliche Änderung des Stroms (z.B., im Lesestrom Iread) zeigt, wenn die angelegte Spannung in vordefinierten Rampenschemata (z.B. von 0 V auf +Vmax und von +Vmax auf 0 V und von 0 V auf -Vmax und von -Vmax auf 0 V) linear rampenförmig ansteigt, wie z.B. in 3A und 3B dargestellt.
  • 3A zeigt zwei beispielhafte Rampenschemata 300a, 300b, die zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften eines memristiven Elements 130 und einer memristiven Struktur 100 gemäß verschiedenen Aspekten verwendet werden können. FIG.3B zeigt eine beispielhafte Strom-/Spannungscharakteristik einer mit den beiden beispielhaften Rampenschemata 300a, 300b gemäß verschiedenen Aspekten erhaltenen memristiven Struktur 100. 3C zeigt eine schematische Darstellung eines Barriere-Schaltens eines memristiven Elements 130 und einer memristiven Struktur 100, gemäß verschiedenen Aspekten.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann die memristive Struktur 100 in verschiedene memristive Zustände gebracht werden, z.B. in verschiedene Zustände mit niedrigem Widerstand (LRS) und verschiedene Zustände mit hohem Widerstand (HRS). Typischerweise kann die memristive Struktur 100 in einen wohldefinierten Widerstandszustand versetzt werden, indem eine Initialisierungsspannung, Vini, angelegt wird und anschließend eine gewünschte Schreibspannung, die den jeweiligen Widerstandszustand definiert, in dem sich die memristive Struktur 100 nach Anlegen der Schreibspannung befindet. Der Widerstandszustand kann durch Anlegen einer Lesespannung bestimmt werden, die niedriger ist als die Schreibspannung, und durch Analyse des resultierenden Lesestroms. Der resultierende Lesestrom kann jedoch durch ferroelektrische Schalteffekte gestört werden, die einen zusätzlichen Strombeitrag erzeugen können (z.B. aufgrund einer Änderung der Polarisationsladung, die im memristiven Element 130 aufgrund seiner ferroelektrischen Eigenschaften gespeichert ist). Daher beziehen sich verschiedene Aspekte auf die Reduzierung und/oder Vermeidung von Strombeiträgen durch ferroelektrisches Schalten zumindest in dem Lese-/Schreib-Spannungsbereich, der für den Betrieb der memristiven Struktur 100 auf der Grundlage ihrer beabsichtigten Barriere-Schalten verwendet wird.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten können die elektrischen Eigenschaften eines memristiven Elements 130 durch Anlegen einer Schreibspannung Vwrite verändert und/oder analysiert werden. Die Schreibspannung kann zwischen -|Vmax| und +|Vmax| variiert werden, z.B. über ein vordefiniertes Rampenschema für negative (HRS) Initialisierungen 300a und positive (HRS) Initialisierungen 300b, wie in 3A gezeigt. Typischerweise kann der Widerstandszustand durch Anlegen einer Lesespannung identifiziert (gemessen) werden. In einigen Aspekten kann die Lesespannung den Widerstandszustand der memristiven Struktur 100 nicht verändern. Nach einem Initialisierungsvorgang (z.B. Anlegen der Initialisierungsspannung Vini an die Elektroden der memristiven Struktur 100) wird die entsprechende Schreibspannung V write angelegt und der Widerstandszustand mit der Lesespannung ausgelesen, um die Strom/Spannungs-Charakteristiken zu erhalten, wie sie in den verschiedenen Figuren dargestellt sind. Vor dem Anlegen der nächsten Schreibspannung wird eine weitere Initialisierungsspannung angelegt, und anschließend kann der nächste Widerstandszustand mit der Lesespannung ausgelesen werden. Die Initialisierungsspannung und die Lesespannung können während der Messung einer Kennlinie mit den Zweigen 1 bis 4 gleich gehalten werden (siehe z.B. 3B). Eine angelegte Spannung im Bereich von einer positiven Spannung (>0 V) bis zu einer vordefinierten positiven Spannung +Vmax kann als positive Schreibspannung verwendet werden und eine angelegte Spannung im Bereich von einer negativen Spannung (<0 V) bis zu einer vordefinierten negativen Spannung -Vmax kann als negative Schreibspannung verwendet werden.
  • In einigen Aspekten kann eine analoge memristive Struktur 100 mit dominierenden Barriere-Schalten mit einer Lesespannung betrieben werden, die außerhalb des Schreibspannungsbereichs liegt. Andernfalls würde sich die Barrierehöhe ändern und die memristive Struktur 100 würde beim Anlegen der Lesespannung in einen anderen Widerstandszustand geschrieben. Das Barriere-Schalten, wie weiter unten näher erläutert, können es ermöglichen, zusätzliche Informationen über eine Polarität der Lesespannung auszulesen. 3B zeigt die Strom-/Spannungseigenschaften einer memristiven Struktur 100, die nur ein Barriere-Schalten aufweist. Das Barriere-Schalten (auch als memristives Schalten bezeichnet) kann wie in 3C dargestellt verstanden werden.
  • 3C zeigt zwei Ersatzschaltungen, die den elektrischen Zustand einer memristiven Struktur für eine erste (HRS) Initialisierung (300a) und eine zweite (LRS) Initialisierung (300b) gemäß verschiedenen Aspekten darstellen. Die memristive Struktur 100 kann in einer selbstgleichrichtenden Konfiguration vorliegen. Die selbstgleichrichtende Konfiguration und/oder das gewünschte Schaltverhalten kann durch die Bildung einer Diode (z.B. eines Schottky-Kontakts) und eines Widerstands an den Schnittstellen zwischen der ersten Elektrode 110 und dem memristiven Element 130 und zwischen der zweiten Elektrode 120 und dem memristiven Element 130 (das memristive Element 130 kann ein memristiver Materialabschnitt sein) erzeugt werden. Die Diode und der Widerstand sind in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und sorgen für die beschriebenen HRS- und LRS-Zustände bei einer bestimmten Polarität. Das Schalten der memristiven Struktur 100 und damit das Vorhandensein eines Diodenkontakts oder eines Widerstandskontakts an den jeweiligen Elektrodenbereichen kann durch das memristive Material definiert werden, z.B. durch das Vorhandensein und/oder Fehlen von Sauerstofflöchern in den Elektrodenbereichen.
  • Veranschaulichend kann die erste Ersatzschaltung 300a einer negativen Initialisierung entsprechen, z.B. mit Vini = |Vmax|, wobei der LRS-Zustand mit Vread = -|Vread| (siehe Zweig 3 der hier beschriebenen IN-Kennlinien) und der HRS-Zustand mit Vread = +|Vread| (siehe Zweig 4 der hier beschriebenen IN-Kennlinien) in Beziehung stehen kann. Die zweite Ersatzschaltung 300b kann einer positiven Initialisierung entsprechen, z.B. mit Vini = +|Vmax|, wobei der LRS-Zustand auf Vread = +|Vread| (siehe Zweig 1 der hier beschriebenen IN-Kennlinien) und der HRS-Zustand auf Vread = |Vread| (siehe Zweig 2 der hier beschriebenen IN-Kennlinien) bezogen sein kann.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann in dem Fall, dass die analoge memristive Struktur 100 ein wesentliches ferroelektrisches Schalten aufweist, die Lesespannung so gewählt werden, dass dieser kleiner ist als eine Polarisationsschaltspannung, bei der ein Polarisationsstrom erzeugt wird (siehe 4). Im Gegensatz zu einer analogen memristiven Struktur 100 mit dominierendem Barriere-Schalten (siehe 3B) können bei einer analogen memristiven Struktur 100 mit einem wesentlichen ferroelektrischen Schalten keine zusätzlichen Informationen aus der Polarität der Lesespannung gewonnen werden. Die Verwendung einer analogen memristiven Struktur 100 mit dominierendem Barriere-Schalten kann das Unterdrücken des ferroelektrischen Schaltens erfordern, wie hier gemäß verschiedenen Aspekten erläutert. Das Barriere-Schalten kann dominieren, wenn ein ferroelektrischer Polarisationsstrom kleiner ist als ein Barriere-Schaltstrom und/oder wenn die Spannung, bei der ein Polarisationsstrom fließt, im Lesespannungsbereich des Memristors liegt. In einigen Aspekten kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) dominieren, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 4 (4B) schwach ist und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) unterdrückt werden, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 2 (4B) stark ist. Außerdem kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) unterdrückt werden, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 4 (4B) stark ist und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) dominieren, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 2 (4B) schwach ist.
  • Die IV-Charakteristik (Strom-Spannungs-Charakteristik), die anzeigt, ob ein ferroelektrisches Schalten vorhanden oder nicht vorhanden (z.B. unterdrückt) ist, kann durch Anlegen einer Rampenspannung wie in 3A gezeigt erhalten werden, z.B. eine Rampenspannung von 0 V bis +|Vmax| (Teil 1), +|Vmax| bis 0 V (Teil 2), 0 V bis -|Vmax| (Teil 3) und -|Vmax| bis 0 V (Teil 4).
  • 4A veranschaulicht die IV-Charakteristik eines memristiven Elements 130 und einer memristiven Struktur 100, die ein wesentliches ferroelektrisches Schalten, SFE, zeigt, die zu den gemessenen Strömen beiträgt. 4B und 4C veranschaulichen die Beiträge zu den gemessenen Strömen, die durch das Barriere-Schalten (vgl. 3B) und durch das ferroelektrische Schalten, SFE, verursacht werden. Die Polarisation des memristiven Elements 130 wird in Abhängigkeit vom elektrischen Feld und damit in Abhängigkeit von der an die Elektroden 110, 120 der memristiven Struktur 100 angelegten Spannung verändert (z.B. geschaltet). 4C zeigt den Strom (siehe graue gestrichelte Linie), der durch das ferroelektrische Schalten (siehe Polarisationskurve schwarze Linie) verursacht wird, während die Rampenspannung gemäß z.B. 3A angelegt wird. Das Barriere-Schalten ist am Übergang von Teil 1 zu 2 und von Teil 3 zu 4 (d.h. bei +|Vmax| und/oder -|Vmax|) zu sehen und verursacht eine typische memristive Hysterese (vgl. 3B). Der durch das ferroelektrische Schalten verursachte Strombeitrag kann als zusätzliche Maxima und Minima in den IV-Charakteristik-Kurven sichtbar sein. Bei Vergleichen von 4A und 4B wird deutlich, dass die IV-Kennlinie eines memristiven Elements 130, das ferroelektrisches Schalten zeigt, eine Überlagerung eines Strom-/Spannungsverhaltens darstellt, das durch ferroelektrisches Schalten (siehe die graue gepunktete Kurve in 4B) und das gewünschte memristive (Barriere-)Schalten (siehe die schwarze Kurve in 4B) verursacht wird. Diese Erkenntnisse ermöglichen Maßnahmen zur Kompensation, Vermeidung und/oder Korrektur solcher ferroelektrischen Schaltbeiträge. Wie hierin beschrieben, wird die Mikrostruktur des Materials, aus dem das memristive Element 130 besteht, so angepasst, dass ein ferroelektrisches Schalten weniger oder keinen Einfluss auf die IV-Charakteristik und/oder den Betrieb der memristiven Struktur 100 hat. Ein Aspekt kann darin bestehen, das Koerzitivfeld und/oder die dem ferroelektrischen Material des memristiven Elements 130 zugeordnete Schaltspannung zu verringern oder zu erhöhen (z.B. so, dass das ferroelektrische Schalten außerhalb des Betriebsspannungsfensters liegt, das für den Betrieb der memristiven Struktur 100 verwendet wird). In einem Aspekt kann die remanente Polarisation und/oder die Polarisationsladung, die dem ferroelektrischen Material des memristiven Elements 130 zugeordnet ist, so verringert werden, dass der durch das ferroelektrische Schalten verursachte Strom wesentlich geringer ist als die mit den Barriere-Schalten verbundenen Ströme. In einigen Aspekten kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) dominieren, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 4 (4B) schwach ist und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) unterdrückt werden, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 2 (4B) stark ist. Außerdem kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) unterdrückt werden, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 4 (4B) stark ist und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) dominieren, wenn das Barriere-Schalten in Zweig 2 (4B) schwach ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 einen oder mehrere Teile mit ferroelektrischen Eigenschaften und einen oder mehrere Teile mit paraelektrischen Eigenschaften enthalten. Das Volumenverhältnis zwischen dem einen oder den mehreren ferroelektrischen Anteilen und dem einen oder den mehreren paraelektrischen Anteilen kann bestimmen, ob in dem memristiven Element 130 ein ferroelektrisches Schalten oder ein Barriere-Schalten vorherrscht. Die Herstellungsparameter können so eingestellt werden, dass ein memristives Element 130 mit dominantem Barriere-Schalten hergestellt werden kann. Mögliche Materialien, die zur Herstellung des memristiven Elements 130 verwendet werden können, sind zum Beispiel ein ternäres Oxid, ein quaternäres Oxid und/oder ein quinäres Oxid. Beispiele für ternäre Oxide sind Perowskit-Oxide mit einer Basisstruktur ABO3 oder Bixbyit mit einer Basisstruktur von A2O3 oder B2O3 oder Mischungen davon. Außerdem können die Mischungen verschiedene Verunreinigungen an der A- oder B-Stelle enthalten. Beispiele für Elemente für A können La3+, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yp, Lu, Ca, Pr, Pm, Tm, Tl, Pb, Bi, Sr, Y, Ba, Cr, Pu (z.B. alle 3+ wie La3+) aufweisen. Beispiele für Elemente für B können Al3+, Cr, Fe, Ga, In, Sc, V, Ti, Mn, Co, Ni, Sn (z.B. alle 3+ wie Al3+) sein. Beispiele für Verunreinigungen an der A-Stelle sind Ca, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Pr, Pm, Tm, Tl, Pb, Bi, Sr, Y, La, Ba, Cr Pu, Al, Cr, Fe, Ga, In, Sc, V, Ti, Mn, Co, Ni, Sn, z.B. mit einer anderen Valenz als 3+. Beispiele für Verunreinigungen an der B-Stelle können Al, Cr, Fe, Ga, In, Sc, V, Ti, Mn, Co, Ni, Sn, Ca, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Pr, Pm, Tm, Tl, Pb, Bi, Sr, Y, La, Ba, Cr, Pu, z.B. mit einer anderen Wertigkeit als 3+ sein. Perowskit-Oxide können in verschiedenen Phasen vorliegen, wie zum Beispiel einer rhomboedrischen Alpha-Phase, einer orthorhombischen Beta-Phase, einer hexagonalen Phase und/oder einer kubischen Bixbyit-Phase. Perowskit-Oxide können in der rhomboedrischen Alpha-Phase ferroelektrisch und in den anderen Phasen paraelektrisch sein. Der Volumenanteil der paraelektrischen Phasen kann durch Anpassen eines oder mehrerer Herstellungsparameter erhöht werden. Beispiele für geeignete kristalline Materialien können die ternären Oxide CaTiO3, BaTiO3, PbTiO3, LaNiO3, NdAlO3 und/oder PrAlO3 sein.
  • 5A, 5B und 5C zeigen verschiedene Strombeiträge, die durch ferroelektrisches Schalten, SFE, verursacht werden, ähnlich wie in den 4A bis 4C, aber mit einem reduzierten Koerzitivfeld (ΔHc). Ein reduziertes Koerzitivfeld hat zur Folge, dass das ferroelektrische Material bei niedrigeren elektrischen Feldern und damit bei niedrigeren Spannungen schaltet als bei einem höheren Koerzitivfeld. Dadurch können Einflüsse des ferroelektrischen Schaltens auf den Betrieb der memristiven Struktur 100 vermieden werden, z.B. in dem Fall, dass das Koerzitivfeld klein genug ist, so dass die entsprechende Schaltspannung außerhalb (z.B. kleiner oder größer als) des Betriebsspannungsbereichs liegt (z.B. außerhalb des Lese- und Schreibspannungsbereichs).
  • Beispielsweise kann eine memristive Struktur 100 mit den in 5A bis 5C dargestellten IV-Charakteristika einen zuverlässigeren memristiven Betrieb ermöglichen als eine memristive Struktur mit den in 4A bis 4C dargestellten IV-Charakteristika.
  • 6A, 6B und 6C zeigen verschiedene Strombeiträge, die durch ferroelektrisches Schalten, SFE, verursacht werden, ähnlich wie in 4A bis 4C und 5A bis 5C, aber mit einem reduzierten Koerzitivfeld (ΔHc) und einer reduzierten remanenten Polarisation (ΔPmax). Ein reduziertes Koerzitivfeld hat zur Folge, dass das ferroelektrische Material bei niedrigeren elektrischen Feldern und damit bei niedrigeren Spannungen schaltet als bei einem höheren Koerzitivfeld und eine reduzierte remanente Polarisation hat zur Folge, dass der ferroelektrische Schaltstrom niedriger ist als bei einer höheren remanenten Polarisation. Dies kann es ermöglichen, Einflüsse des ferroelektrischen Schaltens auf den Betrieb der memristiven Struktur 100 effizienter zu vermeiden, z.B. in dem Fall, dass das Koerzitivfeld klein genug ist, so dass die entsprechende Schaltspannung außerhalb des Betriebsspannungsbereichs (z.B. außerhalb des Lese- und Schreibspannungsbereichs) liegt (z.B. kleiner oder größer als dieser) und in dem Fall, dass die remanente Polarisation klein genug ist, so dass der entsprechende Schaltstrom keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Betrieb der memristiven Struktur hat.
  • Zum Beispiel kann eine memristive Struktur 100 mit den in den 6A bis 6C gezeigten IV-Charakteristika einen zuverlässigeren memristiven Betrieb ermöglichen als eine memristive Struktur mit den in den 4A bis 4C gezeigten IV-Charakteristika.
  • 7A, 7B und 7C zeigen verschiedene Strombeiträge, die durch ferroelektrisches Schalten, SFE, ähnlich wie in 4A bis 4C, 5A bis 5C und 6A bis 6C, eine reduzierte remanente Polarisation (ΔPmax) verursacht werden. Eine reduzierte remanente Polarisation hat zur Folge, dass der ferroelektrische Schaltstrom im Vergleich zu einer höheren remanenten Polarisation geringer ist. Dies kann es ermöglichen, Einflüsse des ferroelektrischen Schaltens auf den Betrieb der memristiven Struktur 100 zu vermeiden, z.B. in dem Fall, dass die remanente Polarisation klein genug ist, so dass der entsprechende Schaltstrom keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Betrieb der memristiven Struktur hat.
  • Zum Beispiel kann eine memristive Struktur 100 mit den in den 7A bis 7C gezeigten IV-Charakteristika einen zuverlässigeren memristiven Betrieb ermöglichen als eine memristive Struktur mit den in den 4A bis 4C gezeigten IV-Charakteristika.
  • Gemäß verschiedenen hier beschriebenen Aspekten können verschiedene mikrostrukturelle Eigenschaften eines oder mehrerer Materialien, die das memristive Element 130 einer memristiven Struktur 100 bilden, während der Herstellung gesteuert werden, z.B. durch Anpassung der Abscheidungsenergie, des Abscheidungsdrucks, der Abscheidungstemperatur, der Glühbudgets, um nur einige Beispiele zu nennen. Außerdem werden hier die Einflüsse des ferroelektrischen Materials auf die elektrischen Eigenschaften des memristiven Elements 130 und damit der memristiven Struktur 100 beschrieben. Im Folgenden werden verschiedene Aspekte beschrieben, die sich auf eine gewünschte Mikrostruktur des einen oder der mehreren Materialien beziehen, die das memristive Element 130 bilden, um verbesserte elektrische Eigenschaften für das memristive Element 130 zu erreichen, das ein solches oder mehrere Materialien mit einer angepassten Mikrostruktur aufweist oder daraus besteht.
  • 8A, 8B, 8C, 8D und 8E zeigen verschiedene Aspekte des memristiven Elements 130 einer memristiven Struktur 100. Die Mikrostruktur (z.B. die Kristallinität) des Materials, aus dem das memristive Element 130 besteht, kann die ferroelektrischen Eigenschaften und damit die elektrischen Eigenschaften der memristiven Struktur 100 beeinflussen. Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 ein oder mehrere polykristalline Materialien aufweisen (z.B. daraus bestehen). Die Kristallite 832 können eine Orientierungsrichtung haben und, für den Fall, dass die Kristallite 832 ferroelektrische Eigenschaften aufweisen, haben die Kristallite 832 eine Hauptpolarisationsrichtung 834, die üblicherweise mit der Kristallstruktur und damit mit der Orientierung der Kristallite 832 gekoppelt ist.
  • Es wurde erkannt, dass das Koerzitivfeld desto geringer ist, je kleiner die Kristallite 832 eines ferroelektrischen Materials sind. Wie voranstehend erläutert, kann ein kleineres Koerzitivfeld für das memristive Element 130 wünschenswert sein, um ferroelektrische Schalteffekte zu unterdrücken. Daher kann das memristive Element 130 ein polykristallines Material aufweisen, das im Vergleich zu einem Einkristall mit gleichem Volumen im Allgemeinen eine kleinere Kristallitgröße aufweist. Bei unterschiedlicher Größe der Kristallite 834 in der Nähe der oberen Elektrode 120 und der Kristallite 832 in der Nähe der unteren Elektrode 110 kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) dominieren, wenn das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4B) im Vergleich zu Barriere-Schalten in Zweig 4 stark ist, und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) unterdrückt werden, wenn das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4B) im Vergleich zu Barriere-Schalten in Zweig 2 schwach ist. Bei unterschiedlicher Größe der Kristallite 834 in der Nähe der oberen Elektrode 120 und der Kristallite 832 in der Nähe der unteren Elektrode 110 kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4A) unterdrückt werden, wenn das ferroelektrische Schalten in Zweig 4 (4B) im Vergleich zum Barriere-Schalten in Zweig 4 schwach ist und gleichzeitig kann das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 (4A) dominieren, wenn das ferroelektrische Schalten in Zweig 2 ( 4B) im Vergleich zum Barriere-Schalten in Zweig 2 stark ist.
  • Es wurde erkannt, dass die Kristallite 832 eines ferroelektrischen Materials eine geringere remanente Polarisation verursachen und/oder ein sehr großes Koerzitivfeld haben, wenn die Hauptpolarisationsrichtung 834 der Kristallite 832 senkrecht zu dem elektrischen Feld orientiert ist, das das ferroelektrische Schalten der Kristallite 832 verursachen würde. Je mehr die Kristallite 832 also mit ihrer Polarisationsrichtung 834 senkrecht zur Richtung 101 ausgerichtet sind (z.B. parallel zu den Richtungen 103 und 105 (siehe 1B), desto mehr werden die ferroelektrischen Schalteffekte unterdrückt. Wie voranstehend erläutert, kann eine geringere remanente Polarisation für das memristive Element 130 wünschenswert sein, um ferroelektrische Schalteffekte zu unterdrücken. Wenn das Koerzitivfeld groß genug ist (so dass die Betriebsspannungen der memristiven Struktur 100 überhaupt kein ferroelektrisches Schalten verursachen), kann die memristive Struktur 100 nahezu ideale Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel in 3B gezeigt. Daher kann das memristive Element 130 aus einem ein- oder polykristallinen Material bestehen, dessen Hauptpolarisationsrichtung senkrecht zu dem elektrischen Feld verläuft, das durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 entsteht.
  • Es wurde erkannt, dass desto größer die Unordnung in der räumlichen Orientierung der Kristallite 832 ist, desto geringer ist die remanente Polarisation, die durch die Kristallite 832 verursacht werden könnte, wenn die Kristallite ein ferroelektrisches Verhalten zeigen. Es wurde erkannt, dass die remanente Polarisation, die durch die Kristallite 832 verursacht werden könnte, wenn die Kristallite ein ferroelektrisches Verhalten zeigen, umso geringer ist, je geringer die Anzahl der Kristallite 832 ist, die mit ihrer Hauptpolarisationsrichtung 834 parallel zum elektrischen Feld ausgerichtet sind, das zum Betrieb der memristiven Struktur 100 verwendet wird. Es wurde erkannt, dass je kleiner die Größe der Kristallite 832 ist, desto geringer ist das Koerzitivfeld der Kristallite 832, wenn die Kristallite ein ferroelektrisches Verhalten zeigen.
  • Daher kann eine Möglichkeit, ein gut definiertes Barriere-Schalten zu gewährleisten, darin bestehen, das memristive Element 130 aus einem polykristallinen Material zu bilden, so dass das memristive Element 130 eine vergleichsweise größere Anzahl von Kristalliten aufweist (z.B. mehr als 10, mehr als 100, mehr als 1000). Eine weitere Möglichkeit, ein gut definiertes Barriere-Schalten zu gewährleisten, besteht darin, das memristive Element 130 aus einem einkristallinen oder polykristallinen Material zu bilden, dessen Hauptpolarisationsrichtung senkrecht zu der Richtung des durch die Elektroden 110, 120 der memristiven Struktur 100 definierten elektrischen Feldes verläuft. Eine andere Möglichkeit, ein gut definiertes Barriere-Schalten zu gewährleisten, besteht darin, das memristive Element 130 aus einem polykristallinen Material mit einer vorzugsweise zufälligen Orientierungsverteilung der Kristallite des polykristallinen Materials herzustellen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 ein polykristallines Material aufweisen, so dass eine Vielzahl von Kristalliten 832 (z.B. 2 oder mehr, z.B. 10 oder mehr, z.B. 100 oder mehr) direkt zwischen den beiden Elektroden 110, 120 der memristiven Struktur 100 angeordnet ist. In diesem Fall steht eine Vielzahl von Kristalliten 832 (z.B. 2 oder mehr, z.B. 10 oder mehr, z.B. 100 oder mehr) in direktem Kontakt mit jeder der Elektroden 110, 120. Die Vielzahl der Kristallite 832 (z.B. 2 oder mehr, z.B. 10 oder mehr, z.B. 100 oder mehr) kann über einen Abstand (z.B. in Richtung 103 und/oder Richtung 105) verteilt sein, der gleich oder kleiner ist als die Breite der ersten Elektrode 110 und/oder die Breite der zweiten Elektrode (gemessen in derselben Richtung). Die Vielzahl der Kristallite 832 (z.B. 2 oder mehr, z.B. 10 oder mehr, z.B. 100 oder mehr) kann über einen Abstand (z.B. in Richtung 101) verteilt sein, der gleich oder kleiner ist als die Höhe des memristiven Elements 130 (gemessen in der gleichen Richtung).
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann das memristive Element 130 ein monokristallines (einkristallines) Material aufweisen, so dass nur ein Einkristall 832 direkt zwischen den beiden Elektroden 110, 120 der memristiven Struktur 100 angeordnet ist. In diesem Fall befindet sich nur ein einziger Kristallit 832 in direktem Kontakt mit jeder der Elektroden 110, 120. Der Einkristall 832 kann eine Abmessung haben (z.B. in Richtung 103 und/oder Richtung 105), die gleich oder größer ist als die Breite der ersten Elektrode 110 und/oder die Breite der zweiten Elektrode (gemessen in der gleichen Richtung). Der Einkristall 832 kann eine Abmessung haben (z.B. in Richtung 101), die gleich oder größer ist als die Höhe des memristiven Elements 130 (gemessen in der gleichen Richtung).
  • 9 zeigt die memristive Vorrichtung 900 in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Aspekten. Die memristive Vorrichtung 900 kann eine oder mehrere memristive Strukturen 100 aufweisen. Die memristive Vorrichtung 900 kann ferner eine Steuerschaltung 910 aufweisen, die eingerichtet ist zum Steuern 910c (z.B. durch Anlegen zweier Steuersignale an die mindestens zwei Elektroden 110, 120 der jeweiligen memristiven Struktur 100). Die Steuerschaltung 910 kann eingerichtet sein, einen Lesevorgang auszulösen, um einen Widerstand des memristiven Elements 130 der jeweiligen memristiven Struktur 100 zu lesen. Die Steuerschaltung kann eingerichtet sein, das memristive Element 130 mittels einer Lesespannung in einem Lesespannungsbereich auszulesen. Die Steuerschaltung 910 kann eingerichtet sein, einen Schreibvorgang zu veranlassen, um den Widerstand des memristiven Elements 130 der jeweiligen memristiven Struktur 100 zu ändern. Die Steuerschaltung kann eingerichtet sein, das memristive Element 130 mit einer Schreibspannung in einem Schreibspannungsbereich zu schreiben.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die in den 3B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B, 7A und 7B gezeigten IV-Kennlinien Kurven zeigen, die für positive und negative Spannungen symmetrisch (punktsymmetrisch) sind. Es kann jedoch ausreichen, die memristive Struktur 100 in dem Fall zu betreiben, dass ein einziges Hystereseverhalten im negativen Spannungsbereich, im positiven Spannungsbereich oder sowohl im negativen als auch im positiven Spannungsbereich vorliegt, wie in 10A bis 10D beispielhaft für ein memristives Element 130 gezeigt, das ein vergleichsweise geringes Koerzitivfeld und eine vergleichsweise geringe remanente Polarisation aufweist (vgl. 6A).
  • Verschiedene Aspekte beziehen sich auf die Herstellung analoger memristiver Elemente mit einem ferroelektrischen Polarisationsstrom, der kleiner ist als ein Barriere-Schaltstrom, der einer memristiven Funktion des memristiven Elements (z.B. dem hier beschriebenen memristiven Element 130) zugeordnet ist. Das analoge memristive Element kann ein kristallines Material aus der Materialklasse der rhomboedrischen Oxide mit zwei elektrisch leitenden Elektroden enthalten. Ein maximaler Polarisationsstrom kann kleiner oder gleich einem maximalen Schreibspannungsstrom sein. Die Spannung, bei der der ferroelektrische Polarisationsstrom fließt, kann im Lesespannungsbereich, im Schreibspannungsbereich oder oberhalb des Schreibspannungsbereiches liegen und liegt vorzugsweise im Lesespannungsbereich des analogen memristiven Elements.
  • Die Verwendung eines analogen memristiven Elements mit dominantem Barriere-Schalten kann in einigen Aspekten von einem unterdrückten ferroelektrischen Schalten profitieren. Ein analoges memristives Element mit dominantem ferroelektrischen Schalten kann eine kontinuierliche Änderung des Stroms aufweisen, wenn die Schreibspannung wie oben beschrieben linear ansteigt. Ein möglicherweise vorhandener ferroelektrischer Polarisationsstrom kann jedoch geringer sein als der Barriere-Schaltstrom und die Spannung, bei der der ferroelektrische Polarisationsstrom fließen kann, kann außerhalb des Schreibspannungsbereichs und/oder außerhalb des Lesespannungsbereichs des analogen memristiven Elements liegen.
  • Das memristive Element 130 kann gemäß verschiedenen Aspekten ein ferroelektrisches Schalten aufweisen, das unterdrückt wird, und wenn die Schreibspannung nach einem Rampenschema ansteigt (siehe gemäß verschiedenen Aspekten 3A), ist der ferroelektrische Polarisationsstrom kleiner als der Barriere-Schaltstrom (siehe gemäß verschiedenen Aspekten 5A, 6A, 7A). Das analoge memristive Element 130 kann eine kristalline BiFeO3-Schicht sein. Die kleinste Längenabmessung der unregelmäßig geformten Kristallite in der kristallinen BiFeO3-Schicht kann kleiner sein als die Dicke der kristallinen BiFeO3-Schicht. Die größte Längenabmessung der unregelmäßig geformten Kristallite kann kleiner sein als die kleinste laterale Abmessung der Vorderseitenelektrode (siehe z.B. die zweite Elektrode 120) und der Rückseitenelektrode (siehe z.B. die erste Elektrode 110).
  • Ein Verhältnis von maximalem Polarisationsstrom und maximalem Barriere-Schreibstrom und/oder das Verhältnis von maximaler Polarisationsstromladung und maximaler Barriere-Schreibstromladung kann definiert werden. Das Verhältnis zwischen der maximalen Polarisationsstromladung und der maximalen Barrierestromladung kann davon abhängen, welcher Volumenanteil des kristallinen Materials ferroelektrisch ist und ein ferroelektrisches Schalten aufweist und welcher Volumenanteil des kristallinen Materials paraelektrisch ist und ein Barriere-Schalten aufweist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann die Polarisation mit Hilfe von P=P(E)-Messungen gemessen werden. Das elektrische Feld E wird durch die Rampenspannung V (E=V/d) ermittelt, wobei d der Abstand zwischen der Elektrode 110 und der Elektrode 120 ist. Bei der Herstellung einer kristallinen Schicht können die Orientierung und die Größe der Kristallite gesteuert werden. Je zufälliger die Kristallite zueinander ausgerichtet sind, desto mehr wird ein möglicher Polarisationsstrom kompensiert und reduziert.
  • Im Folgenden werden verschiedene Beispiele bereitgestellt, die einen oder mehrere der voranstehend unter Bezugnahme auf die memristive Struktur 100 und/oder die memristive Vorrichtung 900 beschriebenen Aspekte aufweisen können.
  • Beispiel 1 ist eine memristive Struktur, wobei die memristive Struktur aufweist: eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; wobei das memristive Element ein memristives Material aufweist, das eine (z.B. inhärente) ferroelektrische (z.B., remanente) Polarisationsfähigkeit aufweist, und wobei das memristive Material eine kristalline Mikrostruktur aufweist, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  • Beispiel 2 ist eine memristive Struktur, wobei die memristive Struktur aufweist: eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; wobei das memristive Element ein memristives Material und ein ferroelektrisches Material aufweist, wobei das ferroelektrische Material eine kristalline Mikrostruktur aufweist, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  • In Beispiel 3 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer durchschnittlichen Kristallithöhe ist (z.B. gemessen in Höhenrichtung, z.B. parallel zu der in 1B gezeigten Richtung 101), wobei eine Dicke des memristiven Elements größer als das Doppelte der durchschnittlichen Kristallithöhe ist.
  • In Beispiel 4 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 3 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer maximalen Kristallithöhe ist, wobei eine Dicke des memristiven Elements gleich der maximalen Kristallithöhe ist.
  • In Beispiel 5 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer maximalen Kristallithöhe ist, wobei eine Dicke des memristiven Elements wesentlich größer als (z.B. mindestens zweimal) die maximale Kristallithöhe ist.
  • In Beispiel 6 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 5 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer durchschnittlichen Kristallithöhe von weniger als 1000 nm ist.
  • In Beispiel 7 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer maximalen Höhe von weniger als 1000 nm ist.
  • In Beispiel 8 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer minimalen Kristallithöhe von mehr als 10 nm, z.B. mehr als 20 nm, z.B. mehr als 50 nm, z.B. mehr als 100 nm, z.B. mehr als 200 nm ist.
  • In Beispiel 9 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 3 bis 8 optional ferner aufweisen, dass die Kristallithöhe (z.B. die durchschnittliche Kristallithöhe, die minimale Kristallithöhe und/oder die maximale Kristallithöhe) senkrecht zu einer ersten Oberfläche der ersten Elektrode, wobei die erste Oberfläche dem memristiven Element zugewandt ist, und/oder senkrecht zu einer zweiten Oberfläche der zweiten Elektrode, wobei die zweite Oberfläche dem memristiven Element zugewandt ist, definiert sein kann.
  • In Beispiel 10 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 3 bis 9 optional ferner aufweisen, dass die Kristallithöhe (z.B. die durchschnittliche Kristallithöhe, die minimale Kristallithöhe und/oder die maximale Kristallithöhe) parallel zu einem elektrischen Feld definiert sein kann, das mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode beim Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugt wird.
  • In Beispiel 11 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei eine räumliche Orientierung der Vielzahl von Kristalliten zufällig verteilt ist.
  • In Beispiel 12 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei ein oder mehrere Kristallite der Vielzahl von Kristalliten in einer ersten Richtung orientiert sind und wobei ein oder mehrere andere Kristallite der Vielzahl von Kristalliten in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung orientiert sind.
  • In Beispiel 13 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die erste Richtung und/oder die zweite Richtung schräg zueinander sind (z.B. mit einem Winkel von 45 Grad bis 90 Grad) relativ zu einer Richtung bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugten elektrischen Feldes.
  • In Beispiel 14 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 12 und/oder 13 optional ferner aufweisen, dass die erste Richtung und/oder die zweite Richtung im Wesentlichen parallel (z.B. ±15 Grad) zu einer dem memristiven Element zugewandten ersten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten zweiten Oberfläche der zweiten Elektrode sind.
  • In Beispiel 15 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 11 optional ferner aufweisen, dass die räumliche Orientierung der Vielzahl von Kristalliten in Bezug auf eine Höhenrichtung (aus der Ebene heraus, z.B. parallel zur Richtung 101 in 1B)) und/oder in Bezug auf eine laterale Richtung (in der Ebene) zufällig verteilt ist.
  • In Beispiel 16 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 15 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei eine räumliche Orientierung der Vielzahl von Kristalliten in Bezug auf eine Referenzrichtung zufällig verteilt ist.
  • In Beispiel 17 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 16 optional ferner aufweisen, dass die Referenzrichtung senkrecht zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder senkrecht zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  • In Beispiel 18 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 17 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei die Vielzahl von Kristalliten eine solche räumliche Orientierungsverteilung aufweist, dass eine Hauptpolarisationsrichtung der Vielzahl von Kristalliten im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  • In Beispiel 19 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 17 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine monokristalline Mikrostruktur ist (z.B. wird das memristive Element 130 durch einen Einkristall eines memristiven Materials bereitgestellt) mit einem Einkristall, wobei der Einkristall derart orientiert ist, dass eine Hauptpolarisationsrichtung des Einkristalls im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  • In Beispiel 20 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 18 und/oder 19 optional ferner aufweisen, dass eine im Wesentlichen parallele Orientierung eine maximale Abweichung von einer parallelen Orientierung von weniger als 15° aufweist.
  • In Beispiel 21 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 und/oder 20 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer durchschnittlichen Kristallitbreite (entlang einer lateralen Richtung, z.B. entlang der Richtung 103 und/oder 105, z.B. senkrecht zur Richtung 101 in 1B) von weniger als 2 µm ist.
  • In Beispiel 22 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 18, 20 und/oder 21 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer maximalen Kristallitbreite (entlang einer lateralen Richtung, z.B. entlang der Richtung 103 und/oder 105, z.B. senkrecht zur Richtung 101 in 1B) von weniger als 2 µm ist.
  • In Beispiel 23 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 und/oder 20 bis 22 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer minimalen Kristallitbreite (entlang einer lateralen Richtung, z.B. entlang der Richtung 103 und/oder 105, z.B. senkrecht zur Richtung 101 in 1B) von mehr als 50 nm ist.
  • In Beispiel 24 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 22 und/oder 23 optional ferner aufweisen, dass die Kristallitbreite (z.B. die durchschnittliche Kristallitbreite, die minimale Kristallitbreite und/oder die maximale Kristallitbreite) parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode definiert ist.
  • In Beispiel 25 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 21 bis 24 optional ferner aufweisen, dass die Kristallitbreite (z.B. die durchschnittliche Kristallitbreite, die minimale Kristallitbreite und/oder die maximale Kristallitbreite) senkrecht zu einem elektrischen Feld definiert ist, das mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode beim Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugt wird.
  • In Beispiel 26 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 und/oder 20 bis 25 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einem ersten Typ von Kristalliten und einem zweiten Typ von Kristalliten ist, wobei der erste Typ von Kristalliten eine durchschnittliche Kristallitgröße aufweist, die sich von einer durchschnittlichen Kristallitgröße des zweiten Typs von Kristallen unterscheidet.
  • In Beispiel 27 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 26 optional ferner aufweisen, dass die durchschnittliche Kristallitgröße eine durchschnittliche Kristallithöhe und/oder eine durchschnittliche Kristallitbreite aufweist.
  • In Beispiel 28 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass die kristalline Mikrostruktur eine einkristalline Mikrostruktur ist, wobei eine Hauptpolarisationsrichtung eines Einkristalls davon im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode und/oder im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  • In Beispiel 29 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 28 optional ferner aufweisen, dass eine einem Polarisations-Schalten des memristiven Elements zugeordnete Koerzitivspannung außerhalb eines mit einer memristiven Schaltung des memristiven Elements verbundenen Schreibspannungsbereichs liegt.
  • In Beispiel 30 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 29 optional ferner aufweisen, dass das grundlegende memristive Material ein Oxidmaterial aufweist, wobei das Oxidmaterial mindestens eines von Bismut, Eisen, Hafnium, Strontium und/oder Titan aufweist.
  • In Beispiel 31 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 31 optional ferner aufweisen, dass die memristive Struktur als selbstgleichrichtende memristive Struktur konfiguriert ist; und/oder dass die memristive Struktur konfiguriert ist, um ein nichtlineares Schaltverhalten zu zeigen.
  • In Beispiel 32 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 31 optional ferner aufweisen, dass das memristive Material des memristiven Elements eingerichtet ist, ein Steuern der Höhe einer Schottky-Barriere, die durch einen Kontakt des memristiven Materials mit der ersten Elektrode oder mit der zweiten Elektrode verursacht wird, zu ermöglichen.
  • In Beispiel 33 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 32 optional ferner aufweisen, dass das Steuern einer Höhe der Schottky-Barriere Folgendes aufweist: Erzeugen, Erhöhen und/oder Entfernen, Verringern der Höhe der Schottky-Barriere durch Anlegen eines oder mehrerer Schreib-Spannungsabfälle über die memristive Struktur zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
  • In Beispiel 34 kann die memristive Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 33 optional ferner aufweisen, dass das memristive Element eingerichtet ist, ein Steuern des elektrischen Widerstands der memristiven Struktur zu ermöglichen.
  • In Beispiel 35 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 34 optional ferner aufweisen, dass das Steuern des elektrischen Widerstands memristiv aufweist: kontinuierliches Erhöhen des elektrischen Widerstands bis zu einem maximalen elektrischen Widerstand und/oder kontinuierliches Verringern des elektrischen Widerstands bis zu einem minimalen elektrischen Widerstand.
  • In Beispiel 36 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 35 optional ferner aufweisen, dass der maximale elektrische Widerstand einem minimalen Barrierestrom durch das memristive Element zugeordnet ist und wobei der minimale elektrische Widerstand einem maximalen Barrierestrom durch die memristive Struktur zugeordnet ist.
  • In Beispiel 37 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 36 optional ferner aufweisen, dass ein tatsächlicher elektrischer Widerstand der memristiven Struktur einen tatsächlichen memristiven Zustand der memristiven Struktur repräsentiert und einem tatsächlichen Barrierestrom durch die memristive Struktur zugeordnet ist.
  • In Beispiel 38 kann die memristive Struktur gemäß Beispiel 37 optional ferner aufweisen, dass das Lesen des elektrischen Widerstands der memristiven Struktur ein Ermitteln des tatsächlichen Barrierestroms durch die memristive Struktur, der den tatsächlichen memristiven Zustand der memristiven Struktur repräsentiert, aufweisen kann.
  • Beispiel 40 ist eine memristive Vorrichtung mit einer memristiven Struktur gemäß einem der Beispiele 1 bis 38 und einer Steuerschaltung zum Betreiben der memristiven Struktur.
  • Beispiel 41 ist eine memristive Vorrichtung, aufweisend: eine memristive Struktur, wobei die memristive Struktur eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein memristives Element, das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, aufweist; wobei das memristive Element ein memristives Material aufweist, das eine Barriere-Schaltfähigkeit und eine ferroelektrische Schaltfähigkeit aufweist, und wobei das memristive Element eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten und ein Barriere-Schalten des memristiven Elements bewirkenden Spannungsabfall über dem memristiven Element ein ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements im Wesentlichen unterdrückt.
  • In Beispiel 42 kann die memristive Vorrichtung gemäß Beispiel 41 optional ferner aufweisen: eine Steuerschaltung zum Steuern eines Lesevorgangs des memristiven Elements, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, das memristive Element mittels einer Lesespannung in einem Lesespannungsbereich auszulesen.
  • In Beispiel 43 kann die memristive Vorrichtung gemäß Beispiel 42 optional ferner aufweisen: eine Steuerschaltung zum Steuern eines Schreibvorgangs des memristiven Elements, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, das memristive Element mittels einer Schreibspannung in einem Schreibspannungsbereich zu schreiben, wobei sich der Schreibspannungsbereich von dem Lesespannungsbereich unterscheidet.
  • In Beispiel 44 kann die memristive Vorrichtung gemäß Beispiel 42 und/oder 43 optional ferner aufweisen, dass die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine der ferroelektrischen Schaltfähigkeit zugeordnete Koerzitivspannung außerhalb des Schreibspannungsbereichs liegt; und/oder dass die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine der ferroelektrischen Schaltfähigkeit zugeordnete Koerzitivspannung außerhalb des Lesespannungsbereichs liegt.
  • In Beispiel 45 kann die memristive Vorrichtung gemäß Beispiel 42 optional ferner aufweisen, dass die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine dem Lesevorgang zugehörige Auslesestromcharakteristik einen durch das ferroelektrische Schalten verursachten Maximalstrom aufweist, der kleiner ist als ein durch das Barriere-Schalten verursachter Maximalstrom.
  • In Beispiel 46 kann die memristive Vorrichtung gemäß Beispiel 42 optional ferner aufweisen, dass die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine dem Lesevorgang zugehörige Auslesestromcharakteristik einen Referenzstrom zum Ermitteln des memristiven Zustands des memristiven Elements aufweist, und wobei ein durch das ferroelektrische Schalten verursachter maximaler Strom kleiner ist als der Referenzstrom.
  • Obgleich die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bestimmte Aspekte gezeigt und beschrieben wurde, sollte es dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen. Der Umfang der Erfindung ist somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben und alle Änderungen, welche in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche fallen, sind daher einbezogen.

Claims (20)

  1. Eine memristive Struktur (100), aufweisend: eine erste Elektrode (110), eine zweite Elektrode (120) und ein memristives Element (130), das zwischen der ersten Elektrode (110) und der zweiten Elektrode (120) angeordnet ist; wobei das memristive Element (130) ein memristives Material aufweist, das eine ferroelektrische Polarisationsfähigkeit aufweist, und wobei das memristive Material eine kristalline Mikrostruktur aufweist, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode (110) und der zweiten Elektrode (120) angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element (130) ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements (130) zu unterdrücken.
  2. Die memristive Struktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, die zwischen der ersten Elektrode (110) und der zweiten Elektrode (120) angeordnet sind.
  3. Die memristive Struktur (100) gemäß Anspruch 2, wobei eine maximale Kristallithöhe der Vielzahl von Kristalliten im Wesentlichen gleich einer Dicke des memristiven Elements (130) ist; oder wobei eine maximale Kristallithöhe der Vielzahl von Kristalliten wesentlich geringer ist als eine Dicke des memristiven Elements (130);
  4. Die memristive Struktur (100) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei eine räumliche Orientierung der Vielzahl von Kristalliten in Bezug auf mindestens eine Referenzrichtung zufällig verteilt ist.
  5. Die memristive Struktur (100) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei einer oder mehrere Kristallite der Vielzahl von Kristalliten in einer ersten Richtung orientiert sind und wobei ein oder mehrere andere Kristallite der Vielzahl von Kristalliten in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung orientiert sind.
  6. Die memristive Struktur (100) gemäß Anspruch 5, wobei die erste Richtung und/oder die zweite Richtung schräg sind relativ zu einer Richtung eines bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugten elektrischen Feldes; und/oder wobei die erste Richtung und/oder die zweite Richtung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche der ersten Elektrode sind, wobei die erste Oberfläche dem memristiven Element zugewandt ist, und/oder parallel zu einer zweiten Oberfläche der zweiten Elektrode sind, wobei die zweite Oberfläche dem memristiven Element zugewandt ist.
  7. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 6, wobei die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Kristalliten ist, wobei die Vielzahl von Kristalliten eine räumliche Orientierungsverteilung derart aufweisen, dass eine Hauptpolarisationsrichtung der Vielzahl von Kristalliten im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode orientiert ist und/oder im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  8. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 7, wobei die kristalline Mikrostruktur eine polykristalline Mikrostruktur mit einer ersten Art von Kristallen und einer zweiten Art von Kristallen ist, wobei die erste Art von Kristallen eine durchschnittliche Kristallitgröße aufweist, die sich von einer durchschnittlichen Kristallitgröße der zweiten Art von Kristallen unterscheidet.
  9. Die memristive Struktur (100) gemäß Anspruch 1, wobei die kristalline Mikrostruktur eine einkristalline Mikrostruktur ist, wobei eine Hauptpolarisationsrichtung eines Einkristalls davon im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der ersten Elektrode ist, und/oder im Wesentlichen parallel zu einer dem memristiven Element zugewandten Oberfläche der zweiten Elektrode orientiert ist.
  10. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 9, wobei eine einem Polarisationsschalten des memristiven Elements zugeordnete Koerzitivspannung außerhalb eines einem memristiven Schalten des memristiven Elements zugeordneten Schreibspannungsbereichs liegt.
  11. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 10, wobei die memristive Struktur als selbstgleichrichtende memristive Struktur eingerichtet ist; und/oder wobei die memristive Struktur eingerichtet ist, ein nichtlineares Schaltverhalten aufzuweisen.
  12. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 11, wobei das memristive Material des memristiven Elements eingerichtet ist, eine Steuerung einer Höhe einer durch einen Kontakt des memristiven Materials mit der ersten Elektrode oder mit der zweiten Elektrode verursachten Schottky-Barriere zu ermöglichen.
  13. Die memristive Struktur (100) nach Ansprüchen 1 bis 12, wobei das memristive Element eingerichtet ist, eine Steuerung eines elektrischen Widerstands der memristiven Struktur zu ermöglichen.
  14. Die memristive Struktur (100) nach Anspruch 13, wobei das Steuern des elektrischen Widerstands memristiv aufweist: kontinuierliches Erhöhen des elektrischen Widerstands bis zu einem maximalen elektrischen Widerstand und/oder kontinuierliches Verringern des elektrischen Widerstands bis zu einem minimalen elektrischen Widerstand, wobei der maximale elektrische Widerstand einem minimalen Barrierestrom durch das memristive Element zugeordnet ist und wobei der minimale elektrische Widerstand mit einem maximalen Barrierestrom durch die memristive Struktur zugeordnet ist.
  15. Die memristive Struktur (100) nach Anspruch 14, wobei ein tatsächlicher elektrischer Widerstand der memristiven Struktur einen tatsächlichen memristiven Zustand der memristiven Struktur repräsentiert und einem tatsächlichen Barrierestrom durch die memristive Struktur zugehörig ist; und/oder wobei das Lesen des elektrischen Widerstands der memristiven Struktur das Ermitteln des tatsächlichen Barrierestroms durch die memristive Struktur aufweist, der den tatsächlichen memristiven Zustand der memristiven Struktur repräsentiert.
  16. Eine memristive Struktur (100) aufweisend: eine erste Elektrode (110), eine zweite Elektrode (120) und ein memristives Element (130), das zwischen der ersten Elektrode (110) und der zweiten Elektrode (120) angeordnet ist; wobei das memristive Element (130) ein memristives Material und ein ferroelektrisches Material aufweist, wobei das ferroelektrische Material eine kristalline Mikrostruktur aufweist, die eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode (110) und der zweiten Elektrode (120) angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element (130) ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements (130) zu unterdrücken.
  17. Eine memristive Vorrichtung (900), aufweisend: eine memristive Struktur (100), wobei die memristive Struktur eine erste Elektrode (110), eine zweite Elektrode (120) und ein memristives Element (130), das zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, aufweist; wobei das memristive Element (130) ein memristives Material aufweist, das eine Barrieren-Schaltfähigkeit und eine ferroelektrische Schaltfähigkeit aufweist, und wobei das memristive Element eingerichtet ist, in Reaktion auf einen mittels der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegten Spannungsabfall über dem memristiven Element (130), der ein Barriere-Schalten des memristiven Element verursacht, ein wesentliches ferroelektrisches Schalten des memristiven Elements zu unterdrücken.
  18. Die memristive Vorrichtung (900) gemäß Anspruch 17, ferner aufweisend: eine Steuerschaltung zum Steuern eines Lesevorgangs des memristiven Elements, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, das memristive Element mittels einer Lesespannung in einem Lesespannungsbereich auszulesen, und/oder eine Steuerschaltung zum Steuern eines Schreibvorgangs des memristiven Elements, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, das memristive Element mittels einer Schreibspannung in einem Schreibspannungsbereich zu schreiben, wobei sich der Schreibspannungsbereich von dem Lesespannungsbereich unterscheidet.
  19. Die memristive Vorrichtung (900) gemäß Anspruch 18, wobei die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine dem Lesevorgang zugeordnete Auslesestromcharakteristik einen durch das ferroelektrische Schalten verursachten maximalen Strom aufweist, der kleiner als ein durch das Barriere-Schalten verursachter maximaler Strom ist; und/oder wobei die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine dem Lesevorgang zugeordnete Auslesestromcharakteristik einen Referenzstrom aufweist, um den memristiven Zustand des memristiven Elements zu ermitteln, und wobei ein maximaler Strom, der durch das ferroelektrische Schalten verursacht wird, kleiner als der Referenzstrom ist.
  20. Die memristive Vorrichtung (900) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine der ferroelektrischen Schaltfähigkeit zugehörige Koerzitivspannung außerhalb des Schreibspannungsbereichs liegt; und/oder wobei die memristive Struktur derart eingerichtet ist, dass eine der ferroelektrischen Schaltfähigkeit zugehörige Koerzitivspannung außerhalb des Lesespannungsbereichs liegt.
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