Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme
Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme

Beyond-CMOS- und HF-Bauelemente, integrierte Schaltungen und Technologien

Digitales Widerstandsschalten in ferroelektrischen, polykristallinen YMnO3-Dünnfilmen

Abb. 1: Stromdichte-Spannungs-(J-V)- Charakteristik einer unipolar schaltenden Al/Y0,94Mn1,05Ti0,01O3/Pt-Struktur mit einer gewählten Strombegrenzung von 5 mA bei Raumtemperatur. Die Stromdichte ist auf einer logarithmischen Skala und die Spannung ist auf einer linearen Skala aufgetragen.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1: Stromdichte-Spannungs-(J-V)- Charakteristik einer unipolar schaltenden Al/Y0,94Mn1,05Ti0,01O3/Pt-Struktur mit einer gewählten Strombegrenzung von 5 mA bei Raumtemperatur. Die Stromdichte ist auf einer logarithmischen Skala und die Spannung ist auf einer linearen Skala aufgetragen.
Abb. 2: Konstante Auslesestromdichte im ON-Zustand und im OFF-Zustand der digitalen Memristoren A (Y1Mn1O3), B (Y0,95Mn1,05O3), C (Y1Mn0,99Ti0,01O3) und D (Y0,94Mn1,05Ti0,01O3) ausgelesen mit Ur = +0,1 V an Aluminium-Topelektroden mit einem Durchmesser von 300 μm.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 2: Konstante Auslesestromdichte im ON-Zustand und im OFF-Zustand der digitalen Memristoren A (Y1Mn1O3), B (Y0,95Mn1,05O3), C (Y1Mn0,99Ti0,01O3) und D (Y0,94Mn1,05Ti0,01O3) ausgelesen mit Ur = +0,1 V an Aluminium-Topelektroden mit einem Durchmesser von 300 μm.

Memristoren sind passive Schaltungselemente, mit denen Daten verarbeitet und nichtflüchtig gespeichert werden können. Der Widerstand dieser passiven Bauelemente ist im ON-Zustand klein und im OFF-Zustand groß, wobei in einem analogen Memristor die Widerstandswerte kontinuierlich verändert werden können und in einem digitalen Memristor die Widerstandswerte digital verändert werden können. Die digitalen Memristoren sind vergleichbar mit anderen bistabilen Systemen, beispielsweise mit Transistoren, in denen ein hochohmiger (HRS) und einen niederohmiger Zustand (LRS) geschaltet werden kann.


Am Fraunhofer ENAS untersuchen wir analoge Memristoren (BiFeO3, BFO) und digitale Memristoren (YMnO3, YMO), da beide Memristorklassen für sich als auch in Kombination miteinander für verschiedene Einsatzzwecke benötigt werden. Die Unterschiede in den Widerstandswerten des YMO im HRS und LRS unterscheiden sich um 4–5 Größenordnungen. Damit eignet sich YMO besonders als sogenanntes Selektormaterial in Crossbar-Strukturen. Dadurch kann man auf die Integration eines separaten Selektor-Transistors verzichten, welcher typischerweise eingesetzt wird, um Kriechströme in Crossbar-Strukturen über nicht direkt adressierte Zellen in Crossbar-Strukturen zu unterdrücken. Das perfekt stöchiometrische YMO besitzt bezüglich Elektroformierungsfreiheit, Endurance und Retention bereits sehr gute Eigenschaften. Wir haben das Datenspeichern und -auslesen in dem digitalen Memristor YMO in Abhängigkeit von der chemischen Komposition des YMO untersucht und optimiert.