DE202022102677U1

DE202022102677U1 - Eine nichtflüchtige Speicheranordnung mit leitender Brücke und wahlfreiem Zugriff auf Basis eines festen Polymerelektrolyten mit Kupferionen

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Publication number: DE202022102677U1
Application number: DE202022102677.7U
Authority: DE
Original assignee: National Institute Of Tech Silchar; National Institute of Technology India
Current assignee: National Institute Of Tech Silchar; National Institute of Technology India
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2022-05-23
Anticipated expiration: 2032-05-17

Abstract

Nichtflüchtige CBRAM-Vorrichtung (Conductive Bridge Random Access Memory) auf Basis eines leitenden Kupfer-Ionen-Festpolymerelektrolyten (SPE), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
eine erste Elektrode, die aus einem mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat besteht, wobei die erste Elektrode auch als Bodenelektrode bezeichnet wird, da sie sich am Boden der Vorrichtung befindet;
eine zweite Elektrode, die aus Kupfer (Cu) besteht und auch als obere Elektrode bezeichnet wird, weil sie sich an der Oberseite der Vorrichtung befindet; und
eine Schaltschicht, die sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode befindet, wobei die Schaltschicht ein kupferionenleitender fester Polymerelektrolyt (Cu-SPE) ist und einen festen Polymerelektrolyt (SPE) auf der Basis von Poly(ethylenoxid) (PEO) und Kupfer(I)-Thiocyanatsalz enthält.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf den Bereich der bipolaren nichtflüchtigen Speicher auf Redoxbasis. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein nichtflüchtiges CBRAM-Bauteil (Conductive Bridge Random Access Memory) auf der Basis eines leitfähigen Kupferionen-Festpolymerelektrolyten (SPE).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Technologie der halbleiterbasierten Digitalspeicher hat sich in den letzten Jahrzehnten in Bezug auf Speicherdichte und Schaltgeschwindigkeit stark weiterentwickelt, da die Größe der Speicherzellen immer kleiner wurde. Eine weitere Verkleinerung der Halbleiterspeicherzellen beeinträchtigt jedoch die Schalteigenschaften, da der Leckstrom zunimmt. Außerdem muss eine ideale Speicherzelle den aktuellen Anforderungen entsprechend logische Operationen ausführen und gleichzeitig einen nichtflüchtigen Speicher mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit aufweisen.
Für den aktuellen Bedarf wird ein widerstandsbasierter Direktzugriffsspeicher (RRAM) als die beste Option angesehen, bei dem es sich um ein Gerät mit zwei Anschlüssen handelt, das eine Sandwich-Struktur aus Metall-Isolator-Metall (MIM) aufweist, und bei dem in dieser Art von Gerät ein elektrochemischer Oxidations- und Reduktionsspeicher (Redox) auf der Grundlage von Widerstandsschaltungen wegen seiner hohen Skalierbarkeit und Energieeffizienz am besten geeignet ist. Es gibt zwei Arten von elektrochemischen Widerstandsschaltungen, nämlich Valenzänderungsspeicher (VCM) und elektrochemische Metallisierungsspeicher (ECM), wobei ECM bevorzugt eingesetzt wird, der auch als Conductive Bridge Random Access Memory (CBRAM) bekannt ist.
Allerdings müssen die ECM-Bauelemente in Bezug auf Energieeffizienz und Schaltgeschwindigkeit noch weiter verbessert werden, und es sind weitere Funktionen wie Logikbetrieb und neuromorphe Computeranwendungen erforderlich. Oxide und glasartige feste Elektrolyte sind als aktive Schicht in der MIM-Sandwich-Struktur ungeeignet.
Das vorgenannte Problem kann durch die Verwendung einer neuen Klasse von Festelektrolyten gelöst werden, die als feste Polymerelektrolyte (SPE) oder weiche Ionenleiter bekannt sind. Eine Speicherzelle mit Kupferionen gilt als am besten kompatibel mit der CMOS-Technik, aber es gibt noch keinen ECM-Speicher mit Kupferionen. Daher besteht ein Bedarf an einem ECM-Speichergerät mit einem kupferionenleitenden Polymerelektrolyten.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein Bedarf an einem nichtflüchtigen CBRAM-Baustein (Conductive Bridge Random Access Memory) auf der Basis eines leitfähigen Kupfer-Ionen-Festpolymerelektrolyten (SPE) besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen nichtflüchtigen leitenden Brücken-Direktzugriffsspeicher (CBRAM) auf Basis eines kupferionenleitenden festen Polymerelektrolyten (SPE). In dieser Offenbarung wird ein nichtflüchtiger leitender Brücken-Direktzugriffsspeicher (CBRAM) unter Verwendung eines kupferionenleitenden festen Polymerelektrolyten gebildet. Die Architektur der CBRAM-Zelle umfasst eine untere Elektrode, die auch als erste Elektrode bezeichnet wird, eine obere Elektrode, die auch als zweite Elektrode bezeichnet wird, und eine Widerstandsschaltschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. In der vorliegenden Offenlegung wird Indium-Zinn-Oxid (ITO), das mit einem PET-Substrat (Polyethylenterephthalat) beschichtet ist, als erste Elektrode und Kupfer (Cu) als zweite Elektrode verwendet. Die Schaltschicht zwischen den beiden Elektroden enthält einen festen Polymerelektrolyten (SPE) auf der Basis von Polyethylenoxid und Kupfer(I)-thiocyanat-Salz. Die Anordnung der Schaltschicht erfolgt in Form eines Dünnfilms und wird über der ersten Elektrode (ITO) durchgeführt, und dann wird die zweite Elektrode (Cu) über der Schaltschicht angebracht, um eine zweipolige Sandwichstruktur zu bilden, wobei die zweite Elektrode elektrochemisch oxidierbar ist und in der Lage ist, die Kupferionen (Cu+) an die Schaltschicht zu liefern, wenn die Spannung angelegt wird. Ein bipolares nichtflüchtiges Widerstandsschaltverhalten wird beim Anlegen der Vorspannung von 0 bis ±2 V an das hergestellte CBRAM beobachtet, wobei das Widerstandsschaltverhalten mit einem hohen ON/OFF-Widerstandsverhältnis beobachtet wird, das größer als 10⁵ ist.
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, eine nichtflüchtige CBRAM-Vorrichtung (Conductive Bridge Random Access Memory) auf der Basis eines leitfähigen Festpolymerelektrolyten (SPE) mit Kupferionen bereitzustellen. Die Vorrichtung umfasst: eine erste Elektrode, die aus einem mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat besteht, wobei die erste Elektrode auch als untere Elektrode bezeichnet wird, weil sie sich am unteren Ende der Vorrichtung befindet; eine zweite Elektrode, die aus Kupfer (Cu) besteht und auch als obere Elektrode bezeichnet wird, weil sie sich am oberen Ende der Vorrichtung befindet; und eine Schaltschicht, die sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode befindet, wobei die Schaltschicht ein kupferionenleitender fester Polymerelektrolyt (Cu-SPE) ist und einen festen Polymerelektrolyt (SPE) auf der Basis von Poly(ethylenoxid) (PEO) und Kupfer(I)-Thiocyanatsalz enthält.
Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein nichtflüchtiges CBRAM-Bauelement (Conductive Bridge Random Access Memory) auf der Basis eines leitfähigen Festpolymerelektrolyten (SPE) mit Kupferionen bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Herstellung einer kupferionenleitenden Polymerelektrolytlösung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtetes Polyethylenterephthalat-Substrat als erste Elektrode und Kupfer (Cu) als zweite Elektrode einzusetzen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Bildung einer Schaltschicht zwischen den beiden Elektroden, wobei die Schaltschicht aus einem festen Polymerelektrolyten (SPE) auf der Basis von Poly(ethylenoxid) und Kupfer(I)-thiocyanatsalz besteht.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung eines bipolaren nichtflüchtigen Speichers auf Redoxbasis unter Verwendung eines Kupferionen-leitenden festen Polymerelektrolyten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 das Verfahren zur Herstellung der kupferionenleitenden Polymerelektrolytlösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
3 die verschiedenen Stufen der Herstellung der vorgeschlagenen Speichervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4 ein schematisches Diagramm der vorgeschlagenen Speichervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 die FTIR-Spektren des Cu-SPE-Films gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
6 die Strom-Spannungs-Kennlinien, die in dem festen Polymerelektrolytfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beobachtet werden veranschaulicht.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung eines bipolaren nichtflüchtigen Speichers auf Redoxbasis unter Verwendung eines Kupferionen-leitenden festen Polymerelektrolyten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Elektrode 102, die aus einem mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat besteht, wobei die erste Elektrode auch als Bodenelektrode bezeichnet wird, da sie sich am Boden der Vorrichtung befindet.
In einer Ausführungsform ist eine zweite Elektrode 104 aus Kupfer (Cu) vorgesehen, die auch als obere Elektrode bezeichnet wird, da sie sich an der Oberseite der Vorrichtung befindet.
In einer Ausführungsform ist eine Schaltschicht 106, die sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode befindet, wobei die Schaltschicht ein kupferionenleitender fester Polymerelektrolyt (Cu-SPE) ist und einen festen Polymerelektrolyt (SPE) auf der Basis von Poly(ethylenoxid) (PEO) und Kupfer(I)thiocyanatsalz enthält.
In einer Ausführungsform wird die Schaltschicht in Form einer dünnen Schicht über der ersten Elektrode abgeschieden und dann die zweite Elektrode über der Schaltschicht angebracht, was zur Bildung einer zweipoligen Sandwichstruktur führt, die als ITO/Cu-SPE/Cu dargestellt werden kann.
In einer Ausführungsform sind die Schaltschicht (Cu-SPE) und die zweite Elektrode (Cu) beide so konfiguriert, dass sie unter Anlegen einer Spannung Widerstandsschaltvorgänge ausführen.
In einer Ausführungsform wird der nichtflüchtige leitende Brücken-Direktzugriffsspeicher (CBRAM) hergestellt, indem zunächst die feste Polymerelektrolytlösung hergestellt wird und dann die hergestellte Lösung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angebracht wird, um eine sandwichartige Struktur herzustellen.
In einer Ausführungsform wird ein Spin-Coating-Verfahren zum Aufbringen der Schaltschicht auf das Substrat verwendet, wobei die erste Elektrode bereits auf das Substrat aufgebracht wird.
In einer Ausführungsform wird die zweite Elektrode mit Hilfe der thermischen Verdampfungstechnik über der Schaltschicht abgeschieden.
2 veranschaulicht das Verfahren zur Herstellung der kupferionenleitenden Polymerelektrolytlösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Zunächst wird die kupferionenleitende Polymerelektrolytlösung hergestellt, und diese Lösung wird dann auf der ersten Elektrode abgeschieden. Zur Herstellung dieser Lösung werden zunächst Poly(ethylenoxid) (PEO), das ein Molekulargewicht von 600000 hat, und Kupfer(I)-thiocyanat (CuSCN) gewonnen. Für die Herstellung der Lösung wird Acetonitril als Lösungsmittel verwendet, da es mit PEO und CuSCN gut mischbar ist. Zur Herstellung der kupferionenleitenden Polymerelektrolytlösung werden zunächst 0.5 g Poly(ethylenoxid) in 20 ml Acetonitril unter ständigem Rühren über einen Zeitraum von 3 Stunden bei 300 U/min aufgelöst. Danach werden 0.005 g Kupfer(I)-thiocyanat in die Lösung gegeben und die Mischung wird 21 Stunden lang bei 300 U/min gerührt, um eine homogene Lösung zu erhalten, die als Polymerelektrolytlösung bezeichnet wird.
3 veranschaulicht die verschiedenen Stufen der Herstellung der vorgeschlagenen Speichervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Herstellung der vorgeschlagenen Speichervorrichtung beginnt mit der ersten Elektrode, wobei die erste Elektrode ein Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat umfasst, das mit der Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Schicht mit einer Dicke von 130 nm vorbeschichtet ist, wobei dieses Substrat in Stücke von 18 x 18 mm2Flächen geschnitten wird. Die Polymerelektrolytlösung, die sowohl PEO als auch CuSCN enthält, wird durch Schleudern auf die erste Elektrode aufgebracht, wobei etwa 2 mm der Gesamtfläche des Substrats durch die Verwendung einer Opfer-Deckschicht vor der Beschichtung geschützt werden und eine Gesamtfläche von 16 x 18 mm2 mit der Polymerelektrolytlösung beschichtet wird. Der geschützte Bereich des ITO-Substrats kann nach dem Entfernen der Deckschicht zur Herstellung des Kontakts mit der unteren Elektrode verwendet werden. Die Schleuderbeschichtung zur Abscheidung der Polymerelektrolytlösung auf der ersten Elektrode erfolgt bei 1000 U/min für eine Zeit von 10 Sekunden, gefolgt von 3000 U/min für 120 Sekunden.
Nach der Schleuderbeschichtung wird der vorbereitete Film in einem Vakuumofen bei einer Temperatur von 60 °C über einen Zeitraum von 5 Stunden getrocknet, um alle Lösungsmittelreste zu entfernen. Nach dem Trocknen wird die zweite Elektrode, die 40 nm dickes, kreisförmiges Kupfer (Cu) mit einem Durchmesser von etwa 100 µm enthält, durch thermisches Aufdampfen mit einer Schattenmaske aus Edelstahl abgeschieden.
Nach der abschließenden Abscheidung der zweiten Elektrode wird die resultierende Struktur, die ein ITO/Cu-SPE/Cu mit zwei Anschlüssen ist, gebildet, wobei in dieser Struktur Cu-SPE der Kupferionen-leitende feste Polymerelektrolyt mit einer Dicke von etwa 400 nm ist, und wobei das ITO und Cu als erste (untere) und zweite (obere) Elektrode für die Schaltvorrichtung fungieren.
4 zeigt das schematische Diagramm der vorgeschlagenen Speichervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die vorgeschlagene Speichervorrichtung hat die Zwei-Terminal-Struktur als ITO/Cu-SPE/Cu. In dieser Struktur fungiert das Cu-SPE als Schaltschicht, die aus Poly(ethylenoxid) (PEO) und Kupfer(I)thiocyanat (CuSCN) besteht, und ITO ist die erste oder untere Elektrode und Cu ist die zweite oder obere Elektrode. Die Schaltschicht wird auf der Oberseite der ersten Elektrode abgeschieden und dann wird die zweite Elektrode über der Schaltschicht abgeschieden, wobei die Schaltschicht und die zweite Elektrode so konfiguriert sind, dass sie den Widerstandsschaltvorgang unter Anlegen einer Spannung durchführen, wobei die zweite Elektrode, die aus Kupfer besteht, oxidierbar ist und bei Anlegen einer Spannung Ionen an die ionenleitende Schaltschicht liefert.
5 zeigt die FTIR-Spektren des Cu-SPE-Films in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Eine FTIR-Spektroskopie-Messung des unter Verwendung einer Elektrolytlösung erhaltenen Films wird durchgeführt, wobei die Elektrolytlösung zunächst auf die Glas-Petrischale gegossen wird, wodurch das Lösungsmittel verdampfen kann, woraufhin der freistehende Elektrolytfilm nach 48 Stunden von der Petrischale abgezogen und im Vakuumofen bei 60 °C 5 Stunden lang getrocknet wird, wobei die Dicke des erhaltenen Films 0.1 mm beträgt. Das FTIR-Spektrum des Cu-SPE-Films bestätigt die charakteristischen Schwingungsmoden von PEO im Wellenlängenbereich von 800-3000 cm^-1. Die Banden, die bei 841 cm-¹ und 946 cm-¹ erscheinen, sind auf die asymmetrische CH₂-Rocking-Bewegung mit einem gewissen Beitrag der C-O-Streckung zurückzuführen. Die scharfe Bande bei 1094 cm-¹ ist dem C-O-C-Streckungsmodus zuzuordnen. Die kleinen Banden, die bei 1279 cm^-1, 1343 cm-¹ und 1463 cm-1 auftauchen, sind auf die Verdrehung, das Schwänzeln und die Verformung von CH₂ zurückzuführen. Der asymmetrische C-H-Streckungsmodus ist der Grund für eine Absorptionsbande bei 2880 cm^-1.
6 veranschaulicht die Strom-Spannungs-Kennlinien, die in dem festen Polymerelektrolytfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beobachtet werden.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik (I-V) der vorgeschlagenen Bauelemente wird mit Hilfe eines Halbleiter-Charakterisierungssystems untersucht, wobei bei diesem Test das PET-Substrat, das die vertikalen ITO/Cu-SPE/Cu-Zellen enthält, auf einer Prüfstation platziert wird und dann der Kontakt zur Elektrode mit Wolframspitzen hergestellt wird. An die Cu-Elektrode, die die obere Elektrode darstellt, wird eine Vorspannung angelegt, die zyklisch zwischen 0 und ±2 V hin- und herbewegt wird, und nur auf der positiven Vorspannungsseite wird ein Strom von 0.1 mA eingestellt, wobei sich das Bauelement anfänglich im hochohmigen Zustand (HRS) befindet. Es ist zu erkennen, dass der Strom anfangs nicht anstieg, wenn man die Spannung von 0 V mit positiver Polarität anhob. Mit zunehmender Spannung ist ein abrupter Anstieg des Stroms bei einer Spannung von 1.24 V zu beobachten, und danach erreicht der Strom das Compliance-Niveau, und der Widerstand des Geräts sinkt auf ca. 1030hm, was den EIN-Zustand oder den Zustand mit niedrigem Widerstand (LRS) darstellt, und damit ist der SET-Prozess abgeschlossen. Beim Durchlaufen der negativen Vorspannung, d. h. von 0 bis -2 V, ist bei einer Spannung von -1.16 V ein plötzlicher Stromabfall zu beobachten, und das Bauelement wird vom LRS-Zustand wieder in den HRS-Zustand (AUS-Zustand) zurückgeschaltet; dieser Vorgang wird als RESET-Prozess bezeichnet. Der Widerstand des Bauteils im AUS-Zustand beträgt ca. 10⁹ Ohm. Der Baustein wird SET bei 0.74 V und RESET bei -0.70 V im nächsten Zyklus, wobei der erste Zyklus zum SET des Bauelements als Formierungsprozess bezeichnet wird, nach dem das Bauelement bei einer vergleichsweise niedrigen Spannung SET Ist.
In einer Ausführungsform ist zu beobachten, dass bei typischem bipolarem Widerstandsschaltverhalten der SET-Vorgang in positiver Polarität und der RESET-Vorgang in negativer Polarität erfolgt, was darauf hindeutet, dass der Schaltmechanismus vom Typ CBRAM oder ECM ist.
In einer Ausführungsform zeigt die halblogarithmische Darstellung der I-U-Kennlinien für zehn aufeinanderfolgende Spannungsabtastzyklen, dass die Cu-SPE-basierten Speicherzellen ein stabiles und reproduzierbares Widerstandsschaltverhalten aufweisen. Es ist auch zu beobachten, dass die Variation der SET- und RESET-Spannungen von Zyklus zu Zyklus deutlich geringer ist. Die log-log-Darstellung des SET- und RESET-Prozesses für den ersten Zyklus nach der Formierung zeigte, dass die Steigung der Kurve eins ist, wenn sich das Bauelement im EIN-Zustand befindet, was die ohmsche Art der Leitung im LRS bestätigt.
In einer Ausführungsform wird das leitende Filament im ECM-Prozess durch die Keimbildung und das Wachstum des metallischen Kanals gebildet. Wenn eine positive Vorspannung an die obere Cu-Elektrode angelegt wird, werden die Cu+- und SCN- Ionen in der Cu-SPE-Schaltschicht zu den ITO- bzw. Cu-Elektroden transportiert. Die Cu-Atome an der Cu-Elektrolyt-Grenzfläche werden zu Cu+-Ionen oxidiert und diffundieren durch die Schaltschicht zur ersten Elektrode, der ITO-Elektrode. An der SPE-ITO-Grenzfläche werden die transportierten Cu+-Ionen durch Einfangen der Elektronen zu Cu-Atomen reduziert. Die Keimbildung des Kupfers findet an der ITO-Elektrode statt. Danach erfolgt das Wachstum der Cu-Fäden von der unteren ITO- zur oberen Cu-Elektrode, wodurch die Zelle von einem hochohmigen Zustand (AUS) in einen niederohmigen Zustand (EIN) übergeht, was als SET-Prozess bezeichnet wird. Beim Anlegen der negativen Vorspannung an die zweite Cu-Elektrode kommt es zur Oxidation des Cu-Filaments, was zum Bruch des dünnsten Teils des Cu-Filaments führt und die Zelle wieder in den HRS-Zustand versetzt, was als RESET-Prozess bezeichnet wird. Ab dem nächsten Zyklus befindet sich das Gerät wieder im SET-Zustand, aber diesmal mit einer vergleichsweise niedrigen Spannung, da der Teil des Fadens in der Folie verbleibt.
In einer Ausführungsform werden die I-U-Messungen des Bauelements bis zu 15 Tage mit einem Intervall von 7 Tagen bei einem Erfüllungsstrom von 0.1 mA durchgeführt, und die Ergebnisse zeigen, dass das Bauelement während der Beobachtung ein stabiles Widerstandsschaltverhalten ohne jegliche Verschlechterung der Schalteigenschaften aufweist. Die Beibehaltungseigenschaften werden auch in jedem der einzelnen Zustände unter der kontinuierlichen 30 mV Lesespannung gemessen. Es wurde festgestellt, dass bis zu einer gemessenen Zeit von 10⁴ sowohl der EIN- als auch der AUS-Zustand sehr stabil sind. Das Gerät zeigte auch ein gutes zyklisches Verhalten, wobei der EIN- und AUS-Zustand für den SET- und RESET-Zyklus stabil ist. Das Widerstandsverhältnis des AUS-EIN-Zustands beträgt mehr als 10⁵, was über die gesamten Messzyklen hinweg beibehalten wird. Daher wird der bipolare nichtflüchtige Speicher in den ITO/Cu-SPE/Cu-Zellen erreicht, in denen der ECM- und CBRAM-Typ der Schaltmechanismus ist.
In einer Ausführungsform wird auch eine mehrstufige Widerstandsschaltung durch die Cu-SPE-Basiszellen gezeigt, bei der drei Widerstandszustände erreicht werden, indem der Erfüllungsstrom bei 0.01 mA, 0.1 mA und 1 mA gehalten wird. Die Widerstände im EIN-Zustand liegen in der Größenordnung von 10000 Ohm, 2000 Ohm und 500 Ohm für 0.01 mA, 0.1 mA bzw. 1 mA, was darauf hindeutet, dass der Widerstand im EIN-Zustand mit der Erhöhung des Konformitätsstroms abnimmt, was bei CBRAM- oder ECM-Speicherbauelementen üblicherweise beobachtet wird. Der Grund für die Abnahme des Widerstands im EIN-Zustand liegt darin, dass die fadenförmige leitende Brücke mit zunehmender Nachgiebigkeit dicker wird und daher die Speicherung von Daten mit mehreren Bits in den Cu-SPE-basierten CBRAM-Speicherzellen möglich ist.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Außerdem müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Außerdem können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: System zur Entwicklung eines bipolaren nichtflüchtigen Speichers auf Redoxbasis unter Verwendung eines Kupferionen-leitenden festen Polymerelektrolyten
102: Eine erste Elektrode
104: Eine zweite Elektrode
106: Eine Schaltschicht
202: Acetonitril (20 ml)
204: 7 Std. Rühren
206: Raumtemperatur
208: PEO-Lösung
210: 21 Std. Rühren
212: CuSCN-PEO-Lösung
302: Ablagerung der Polymerelektrolytlösung auf der ersten Elektrode
304: Durchführen der Schleuderbeschichtung
306: Verdampfen der Lösungsmittel und Vakuumtrocknung des vorbereiteten Films
308: Abscheidung des Kupfers auf dem Film durch thermische Verdampfung
310: Endgültig hergestellte Struktur aus ITO/Cu-SPE/Cu erhalten
602: Verformung
604: Erster Zyklus nach der Formung
606: Zurücksetzen
608: Setzen

Claims

Nichtflüchtige CBRAM-Vorrichtung (Conductive Bridge Random Access Memory) auf Basis eines leitenden Kupfer-Ionen-Festpolymerelektrolyten (SPE), wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine erste Elektrode, die aus einem mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichteten Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat besteht, wobei die erste Elektrode auch als Bodenelektrode bezeichnet wird, da sie sich am Boden der Vorrichtung befindet; eine zweite Elektrode, die aus Kupfer (Cu) besteht und auch als obere Elektrode bezeichnet wird, weil sie sich an der Oberseite der Vorrichtung befindet; und eine Schaltschicht, die sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode befindet, wobei die Schaltschicht ein kupferionenleitender fester Polymerelektrolyt (Cu-SPE) ist und einen festen Polymerelektrolyt (SPE) auf der Basis von Poly(ethylenoxid) (PEO) und Kupfer(I)-Thiocyanatsalz enthält.
System nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode elektrochemisch oxidierbar und in der Lage ist, die Kupferionen der Schaltschicht zuzuführen, wenn die Spannung angelegt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltschicht über der ersten Elektrode in Form einer dünnen Schicht abgeschieden wird und dann die zweite Elektrode über der Schaltschicht aufgebracht wird, was zur Bildung einer zweipoligen Sandwichstruktur führt, die als ITO/Cu-SPE/Cu dargestellt werden kann.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltschicht (Cu-SPE) und die zweite Elektrode (Cu) beide so konfiguriert sind, dass sie unter Anlegen einer Spannung Widerstandsschaltvorgänge ausführen.
System nach Anspruch 1, wobei die nichtflüchtige CBRAM-Vorrichtung (Conductive Bridge Random Access Memory) hergestellt wird, indem zunächst die feste Polymerelektrolytlösung hergestellt wird und dann die hergestellte Lösung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird, um eine sandwichartige Struktur herzustellen.
System nach Anspruch 1, bei dem eine Schleuderbeschichtungstechnik zum Aufbringen der Schaltschicht auf das Substrat verwendet wird, wobei die Beschichtung der ersten Elektrode auf dem Substrat bereits erfolgt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode unter Verwendung der thermischen Verdampfungstechnik über der Schaltschicht abgeschieden wird.