Electrical characterization of manganite and titanate heterostructures

Da die aktuelle Speichertechnologie in den nächsten Jahrzehnten ihr physikalisches Limit erreichen wird, müssen innovative Konzepte entwickelt werden, um weitere Verbesserungen in Größe, Stromverbrauch und Kosten sicherzustellen. Ein vielversprechender Kandidat unter den „Beyond CMOS“ Technologien ist das resistive RAM, das auf dem nichtflüchtigen und reversiblen Schalten des Widerstandes eines Bauelements mithilfe einer externen Anregung basiert. Genauer formuliert scheinen schnelle Schreib- und Lesevorgänge in resistiv schaltenden Übergangsmetalloxiden durch Redox-basierte Mechanismen ermöglicht zu werden, die üblicherweise mit der Bildung eines leitenden Filaments einhergehen, das die isolierende Umgebung kurzschließt. Bei einigen Materialien tritt das Schalten homogen über der kompletten Bauelement-Fläche auf, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad beim Bauelement-Design ermöglicht. Für diesen Schalt-Typ spielen Grenzflächeneffekte zwischen dem involvierten resistiv-schaltenden Oxid und der aktiven Elektrode die Schlüsselrolle. Die Hauptthematik dieser Arbeit ist das Redox-basierte Wechselspiel zwischen einem komplexen Oxid und dem oxidierbaren Elektrodenmaterial in einem flächig-schaltenden ReRAM Bauelement. Als epitaktisches Modellsystem wird das quaternäre Übergangsmetalloxid (Pr, Ca)MnO3 untersucht. Um mittels gepulster Laser Deposition hoch-qualitative epitaktische Dünnschichten zu erhalten, wurden ausführliche Wachstumsstudien durchgeführt. Trotz der recht großen Gitterfehlanpassung von ??2:39% zu dem SrTiO3 Substrat, konnte defektarmes (Pr, Ca)MnO3 erfolgreich in verschiedenen Schichtabfolgen gewachsen werden. Ab einer Schichtdicke von 40 nm wird die elastische Verformungsenergie groß genug für Relaxationseffekte. Es konnten zwei konkurrierende Relaxationsprozesse identifiziert werden, Rissbildung und Einbau von Stufenversetzungen, die jeweils in entscheidend unterschiedlichen strukturellen und elektrischen Eigenschaften der (Pr, Ca)MnO3 Dünnschichten resultieren. Nach einem ersten Elektroformierschritt zeigt (Pr, Ca)MnO3 mit Ti als oberer Elektrode stabile resistive Schalteigenschaften, für die ein Widerstandsverhältnis von einer Größenordnung und Retention Zeiten von mindestens 300 Tagen erzielt werden konnten. Es wurde eine Redox-Reaktion an der Grenzfläche nachgewiesen, die einen Sauerstofftransfer von (Pr, Ca)MnO3 zu Ti beinhaltet. Ein Valenzwechsel auf der Ti-Seite während des Formierund den Schaltprozessen konnte mittels Photoelektronspektroskopie gezeigt werden. Der Stromtransport in den Bauelementen konnte für die symmetrischen Zustände mit kleinem Widerstand mit einem Beitrag aus Polaron-Hopping und einem ohmschen Serienwiderstand beschrieben werden. Für die Zustände mit großem Widerstand musste das Modell um eine trapezförmige Tunnelbarriere erweitert werden. Durch die Kombination aller Ergebnisse konnte ein schlüssiges Modell abgeleitet werden, um den Schalteffekt in (Pr, Ca)MnO3/Ti Bauelementen durch die Bildung und Überbrückung einer natürlich entstandenen TiO2 Tunnelbarriere an der Grenzfläche zu erklären.