フォーミングフリーSiO2ベースの導電性ブリッジ・メモリスタにおける銀フィラメントの超短緩和時間の起源を探る。

Investigating the origins of ultra-short relaxation times of silver filaments in forming-free SiO2-based conductive bridge memristors.

• Panagiotis Anastasios Bousoulas
• Dionisis Sakellaropoulos
• Charalampos Papakonstantinopoulos
• Stavros Kitsios
• Christos Arvanitis
• Emmanouil Bagakis
• Dimitris Tsoukalas

抄録

しきい値スイッチング効果は、クロスバーアーキテクチャの信頼性の高い動作から人工ニューラルネットワークを用いたニューロモルフ特性のエミュレートまで、様々なアプリケーションにおいて最も重要であると考えられています。この特性は、金属導電性フィラメント（CF）形成の豊富な固有のダイナミクスと、そのそれぞれの緩和過程に関連していると強く信じられています。これらのダイナミクスの起源を理解することは、ボラティリティの程度を制御し、新規な電子デバイスを設計する上で非常に重要である。本研究では、この問題に対処するために、数値と実験の相乗的なアプローチを提示する。緩和時間の分布は、時間分解パルス測定を用いて解析したが、全体のスイッチング挙動は、ドリフト/拡散輸送機構の破壊的な干渉と、局所的なジュール加熱によるソレ拡散フラックスを考慮した2次元動的モデルを用いてモデル化した。提案されたメカニズムは、SiO2ベースのメモリにおける自己修正効果と同様に、しきい値からバイポーラスイッチング転移の両方をうまく解釈することができた。このモデルは、スイッチングパターンに電極材料の効果を組み込み、イオン輸送プロセスの異なる知覚を提供し、CFの超小型寿命に光を当て、CBRAMアーキテクチャにおける銀(Ag)または銅(Cu)活性材料の異なる挙動を説明する。

The threshold switching effect is considered of outmost importance for a variety of applications ranging from the reliable operation of crossbar architectures to emulating neuromorphic properties with artificial neural networks. This property is strongly believed to be associated with the rich inherit dynamics of a metallic conductive filament (CF) formation and its respective relaxation processes. Understanding the origin of these dynamics is very important in order to control the degree of volatility and design novel electronic devices. Here, we present a synergistic numerical and experimental approach in order to deal with that issue. The distribution of relaxation time is addressed through time-resolved pulse measurements whereas the entire switching behavior is modeled through a 2D dynamical model by taking into account the destructive interference of the drift/diffusion transport mechanisms and the Soret diffusion flux due to the intense local Joule heating. The proposed mechanism interprets successfully both the threshold to bipolar switching transition as well as the self-rectifying effects in SiO2-based memories. The model incorporates the effect of electrode materials on the switching pattern and provides a different perception of the ionic transport processes, shading light into the ultra-small lifetimes of the CF and explaining the different behavior of the silver (Ag) or copper (Cu) active materials in a CBRAM architecture.

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