Takistuslülitus

Takistuslülitus ehk materjali takistuse võimalik muutmine vähemalt kahe erineva püsiväärtuse vahel on füüsikaline nähtus, mis võib aset leida elektrivälja toimel mitmetes dielektriliste omadustega keskkondades ning on pööratav protsess. Ingliskeelses kirjanduses kasutatakse tähiseid LRS (Low Resistive State) ja HRS (High Resistive State) vastavalt madaltakistusliku ja kõrgtakistusliku olukorra eristamiseks. Lihtsustatult: mõõtes vastava omadusega materjalis elektrivoolu rakendatud pinge funktsioonina, muutub vool pinge kasvades mingil pinge väärtusel hüppeliselt ning seega muutub materjali takistus oma arvuliselt väärtuselt ja säilitab seda väärtust ka välise pingeallika eemaldamisel. Selleks, et toimunud muutust materjali juhtivuses saaks seostada takistusliku ümberlülitumisnähtusega, peab seejärel olema võimalik tekitada ka selliseid tingimusi, mille mõjul on võimalik selle materjali keskkonna elektrilise takistuse muutust ümber pöörata ning taastada vähemalt ligilähedaselt selle algsele väärtusele. Tegemist on materjalisiseselt lokaliseeritud füüsikalise muutusega (nt struktuuriline joondefekt kristallvõres) samaaegselt toimunud keemilise muutusega (nt hapnikuvakantside koondumine ja/või metallkatioonide migratsioon). Takistuslülitust põhjustav muutus materjalis saab toimuda kas ühes lokaliseeritud asukohas või siis üle mingi regiooni, mis on piiratud elektroodi pindalaga (kahe elektroodi vaheline piirkond). Elektroonikas kasutatavate tahkismaterjalide puhul võib takistuslülitust mingil määral võrrelda nähtusega, mil liiga tugeva ehk mingit kriitilist väärtust ületava elektrivälja rakendamisel toimub dielektriline läbilöök. Viimasel juhul on tegemist taastumatu muutusega materjalis, mille tulemusena mahtuvuslik seade, milles dielektriline isolaatorkiht on ehitatud kahe metallelektroodi vahele, on lühistunud ning isoleerivad omadused hävitatud. Dielektriline läbilöök ehk n-ö läbipõlemine on tavaliselt soovimatu nähtus. Takistusliku lülitumise puhul on läbilöögini viiv pinge suurendamine kui protsess dielektrilise läbilöögi eelses režiimis kasulik, sest saavutatav tahke keskkonna elektritakistuse äkiline kahanemine on takistuslülitusliku juhtivusmehhanismi aluseks. Takistuslülituse puhul nimetatakse seda nähtust kergeks läbilöögiks (soft breakdown), mille tulemusel tekivadki materjalis esmased funktsionaalsed, elektroodist vastaselektroodini ulatuvad defektsed piirkonnad, millistes hiljem hakkab toimima takistuslülitumine. Niisuguseid kanalitaolisi, materjali ülejäänud regioonidega võrreldes elektrit juhtivaid piirkondi, nimetatakse sageli filamentideks. Filamente võib katkestada, tahke keskkonna defektsust vähendada, kristallvõret parandada ja materjali takistust uuesti suurendada elektrivälja toimel. Kuna tegemist on püsiva mäluefektiga, siis eriti suur huvi on takistusliku lülitumise vastu elektroonikatööstuses ja arvutustehnikas maatriksmälukiibi rakkudes andmete säilitamiseks. Takistusliku lülituse uurimisel rakendamiseks mälustruktuurides on enim tähelepanu pööratud siirdemetallioksiididele nagu näiteks TiO2, HfO2, TaO2, Al2O3. Takistusliku lülitumise efektil töötavate mälurakkude eelisteks oleksid võrdlemisi lihtne struktuur koos kõrge kirjutamis/lugemissagedusega lisaks võimalusele kasutada väga väikest üksikmäluraku pindala, millega kaasneb informatsioon kõrge pakketihedus. Takistuslikku lülitumist ongi viimastel aastakümnenditel uuritud materjaliteadlaste poolt kui väga perspektiivset viisi andmete säilitamiseks. Enim uuritud on takistuslülitusefekti anorgaanilistes tahkismaterjalides, kuid see nähtus ise võib toimuda paljudes erinevat tüüpi materjalides, sealhulgas orgaanilistes ühendites, aga ka kombineeritud orgaaniliste ja anorgaaniliste materjalide segudes. Eristatakse samal pinge polaarsusel toimuvat lülitumist ehk unipolaarset lülitumist (UP) ja erinevate polaarsuste vahelist lülitumist ehk bipolaarset lülitumist (BP). Unipolaarsel lülitumisel toimub mäluraku kõrge ja madala seisundi saavutamine samal pinge polaarsusel. Bipolaarse lülitumiste korral on mäluraku oleku muutmiseks vaja rakendada uue oleku saavutamiseks kasutatud pingele vastasmärgilist pinget. Unipolaarse lülitumise korral on juhtimiseks kasutatavad voolud suuremad kui bipolaarse lülitumise korral. Suuremad voolud kipuvad põhjustama mitte-taastuvaid läbilööke struktuuris, mis sisuliselt tähendab raku hävimist. Sellest tingituna peab unipolaarse lülitumise korral alati piirama voolu. Bipolaarse lülitumise korral üldjuhul piiratakse voolu madala juhtivuse saavutamisel, kõrge juhtivuse saavutamiseks pole voolu piiramine vajalik, kuna voolu piirab raku enda takistus. Bipolaarse lülitumise korral saab eristada mälurakkude omadusi vastavalt volt-amper karakteristiku liikumisele. Eristatakse "vastukaheksa-" ja "kaheksa-"suunalisi mälurakke. "Vastukaheksa-" suunalise karakteristikuga mälurakul moodustuvad juhtivad filamendid ühtlaselt üle struktuuri. Seetõttu pole sellise raku korral oluline elektroodide suurus. "Kaheksa-" suunalise karakteristikuga mälurakus moodustuvad filamendid ühtlaselt ainult elektroodide vahelisel alal. Kuigi takistuslülituse fenomeni oksiidide hulgas on intensiivselt uuritud just viimastel aastakümnenditel, tehti esimesed sammud Stanfordis juba 1964. aastal, kui tuvastati NiO (nikkeloksiidi) ja muudegi metallioksiidide ebastabiilsus volt/amper rakendustes. 2000. aastal avastas Houstoni ülikool PrCaMnO negatiivse takistuse. 2002 Sharp ja IEDM nimetasid RRAM-i ja valmistavad esimese 1D1R-arhitektuuriga mäluraku massiivi. 2004. aastal Samsung ja IEDM mälurakk ReRAM, mis põhines NiO-l. 2008 ITRI/NTHU valmistasid esimese dioksiidtakistusmälu (ik binary oxide), kus ITRI kasutas oksiidina HfO2. Takistusmälu-mälu tehnoloogia kohta on rohkesti artikleid ilmunud ja uurimusi tehtud alates 2010. aastast. Sellest ajast on valdkonda uurinud ka eesti teadlased. 2012. aastal ostis Rambus 35 miljoni dollari eest RRAM-i tehase Unity Semiconductor. 2012. aasta mais avaldas Panasonic tantaaloksiidipõhise takistusmäluraku tootmiskulude aruande. 2014. aastast tegeldakse Tartu Ülikooli Kiletehnoloogia laboris takistuslülituse uurimisega. Takistuslülituste mehhanism pole päris lõplikult teada, aga siiski on teadlased üksmeele saavutanud mõningate üldiste põhimõtete ja mehhanismide osas. Alljärgnevalt on välja toodud kolm kõige levinumat mehhanismi, kuid tuleb silmas pidada, et ka nende mehhanismide toimumine pole täielikult selge. Üldiselt saab spekuleerida ühe või teise mehhanismi mõju üle vastavalt konkreetse takistuslülituva materjali struktuurile ja takistuslülitumise omapäradele. Ühe või teise domineeriva mehhanismi tuvastamine ei välista kolmandate mehhanismide ja tegurite mõju takistuslülitusele. Peamiselt on takistuslülitus seotud elektrivälja ja temperatuuri poolt esile kutsutud struktuuriliste muutustega. Elektrokeemiline metalliseerumine on mehhanism, mis on omane bipolaarsele takistuslikule lülitumisele ja on algupäraselt omistatud conductive-brige random access memory (CBRAM e ka atomic switch, gap type atomic switch, nano-ionic memory) toimimismehhanismiks. Tihtipeale mainitakse selle mehhanismi kirjeldamisel analoogiat elektrolüüsi anoodreaktsiooniga. Üks elektrood on teisest üldjuhul elektrokeemiliselt aktiivsem, seetõttu nimetatakse seda ka aktiivseks elektroodiks. Teine elektrood on sellisel juhul keemiliselt inertsem. Kahe elektroodi vahel on tahkiselektrolüüt, mis makromõõtmetes ja toatemperatuuril on üldjuhul tuntud kui hea isolaator(nt HfO2, Al2O3, Ta2O3), kuid milles nanomõõtmetes ja temperatuuri mõjul on täheldatud siiski märgatavat laengukandjate difusiooni. Anoodiks on aktiivne elektrood(nt Ag, Cu, Ni), millelt eralduvad positiivse laenguga metalli katioonid (Ag+, Cu+) liiguvad katoodile, ehk passiivsele elektroodile (nt Pt, Au, Ir). Katoodil hakkavad metallikatioonid kuhjuma ja moodustama metallilist filamenti. Moodustuv filament kasvab anoodi suunas. Kui filament puutub anoodi, siis on moodustunud juhtiv kanal ja rakk on lülitunud tänu sellele madalatakistusega olekusse (LRS või arvutimälu kontekstis RSET). Ümber lülitumiseks ehk raku suure takistusega olekusse(HRS, RESET) viimiseks vahetatakse elektrivälja polaarsus elektroodide vahel(s.t. bipolaarne lülitumine). Polaarsuse muutumisel vabanevad filamendist metalli katioonid ja suunduvad tagasi aktiivse elektroodi suunas. On oluline märkida, et see protsess algab aktiivse elektroodi lähedal ja metalli katioonide tagasirändega katkeb filament aktiivse elektroodi juures. Allesjäänud filament säilib ja edaspidine lülitumine toimubki filamendi tipu ja aktiivse elektroodi vahel, kusjuures järgmisteks lülitusteks on tarvis üldjuhul väiksemat pinget ja vähem energiat. Kirjeldatud esimese filamendi moodustumist nimetatakse formeerimiseks(vt. pt. Mäluraku formeerimine). Oksiidides on kõige levinumad defektid hapniku vakantsid. Hapniku vakantse peetakse peamisteks takistuslülitusenähtuse põhjustajateks. Eriti siirdemetallioksiidide korral mõjutab hapnikuvakantside paigutus ja kontsentratsioon oluliselt oksiidi takistust ja juhtivust, kuna sellest sõltub siirdemetalli oksiidis metalli katioonide valents. Siirdemetallidele on iseloomulik, et nad saavad esineda mitmes eri faasis (Magneli faasid), millest mõningad on juhtivad. Kui metalli katioonid ühinevad hapniku vakantsidega, siis nende laengud neutraliseeruvad ja juhtivustsooni elektronide arv suureneb. See omakorda põhjustab juhtivuse suurenemist selles piirkonnas. Hapniku vakantsid töötavad paljudes pooljuhtides doonoritena, ehk võimaldavad elektronide rännet. Takistusjuhtivates mälurakkudes on siirdemetallioksiidides täheldatud hapniku vakantside grupeerumist ja filamendikujuliste moodustiste tekkimist elektrivälja toimel. Moodustunud filamentide piirkonnas on oksiidi takistus madalam kui kõrvalistes piirkondades, kus filamente ei ole. Kuna oksiidi ja metalli elektronide väljumistöö on erinev, saab moodustuda piirpindadel ka Schottky barjäär. Hapniku vakantsid ja juhtivad ühendid mõjutavad Schottky barjääri moodustumist. Nende jaotumine ja tihedus muutub elektrivälja rakendumisel ning muutub ka Schottky barjääri kõrgus ja laius. Need muutused põhjustavad erinevat takistust struktuuris. Valentsi muutumise mehhanismil kirjeldatud lülitumised on samuti valdavad bipolaarse lülitumisega rakkude puhul. Oluline on mainida ka elektroodide mõju kuna aktiivsemate metallide korral võivad oksiidi ja aktiivse metalli piirpinnal toimuda redoksreaktsioonid, mille tulemusel aktiivne metall moodustab siirdemetallioksiidi hapnikuga omaette oksiidi, tekitades siirdemetallioksiidi täiendavaid hapniku vakantse. Selleks, et antud protsess oleks efektiivne tuleb aktiivse elektroodi metall valida nii, et moodustuv oksiid oleks juhtiv. Termokeemiline mehhanism esineb rakkudes, kus dielektrikuks on siirdemetalli oksiid ja elektroodid on samast materjalist. See mehhanism selgitab valdavalt unipolaarset takistuslikku lülitumist. Sarnaselt valentsi muutumise mehhanismiga põhineb ka termokeemiline mehhanism siirdemetalli katioonide valentsoleku muutusel. Erinevuseks on see, et termokeemiline mehhanism on põhjustatud temperatuuri poolt. Siirdemetallides, millel puuduvad stabiilsed faasid, võimaldab temperatuuri tõus materjali kristallvõre aatomitel liikuda ja ümber paigutuda nii, et materjali energeetiline olek muutub stabiilsemaks (rekristallatsioonlõõmutamine, difusioonlõõmutamine). Energeetiliselt stabiilsem oksiid omab üldjuhul ka väiksemat elektrijuhtivust. Takistuslülituse perspektiivist seletatuna muudetakse struktuur juhtivamaks rakendades piisavalt madalat pinget, mis veel ei põhjusta korrastumiseks vajaminevat temperatuuri tõusu, kuid võimaldab hapnikuvakantsidel liikuda elektrivälja poolt määratud suunas ja moodustada filamente, mis koosnevad juhtivatest siirdemetalli faasidest(nagu ka valentsi muutusel põhineva mehhanismi korral). Rakendades aga suuremat pinget soojeneb materjali struktuur piisavalt selleks, et saaks toimuda struktuuri korrastumine ja takistuse suurenemine. Termokeemilisel mehhanismil põhineva takistuslülituse esile kutsumiseks tuleb valida sellised siirdemetalli oksiidid, mille takistuse muutumine on temperatuuritundlikum kui puhaste metallide puhul, mida omakorda võivad mõjutada defektid struktuuri elektrit juhtivamas faasis. Takistuslülituse toimumiseks peab enamasti kõigepealt viima mäluraku vastavasse seisundisse. Seda protseduuri nimetatakse formeerimiseks. Formeerimise käigus muudetakse mäluraku algset struktuuri. Selleks pingestatakse rakk ja muudetakse kas pinge väärtust või voolu tugevust lineaarselt, kuni toimub formeerumine. Üldjuhul on formeerumiseks vajalik pinge ja vool suuremad kui edasistes lülitamistsüklites tarvilik. Formeerumisel võib toimuda läbilöök, mis tavalise dielektriku korral nagu DRAM kondensaatoris on ebasoovitav, kuna see põhjustab kondensaatori hävimise. Takistusmäluraku puhul peab selline läbilöök olema vähemalt osaliselt taastuv. Formeerimisel on siiski oht objekti kahjustada, kuna juhtivuse järsul suurenemisel suureneb hüppeliselt ka vool. Seega on eelistatav, et formeerimine toimuks etteantud vooluväärtustel. Sel juhul on vool kindlalt piiritletud nii, et rakk ei hävineks. Mõnede materjalide korral toimub formeerumine lülitamisega samadel pingetel ja vooludel. Selliseid mälurakke nimetatakse ka formeerimisvabadeks ja nende kasutamine pakub mälutööstusele suuremat huvi. Vastavalt mäluraku omadustele ja formeerimise viisile on võimalik rakk esmakordsel formeerimisel viia kas madal- või kõrgtakistuslikku seisundisse. Formeerimisel luuakse esmased juhtivad filamendid, mis on tarvilikud järgnevateks lülitumisteks. Formeerumise mehhanism on erinevate takistusmälu rakkude puhul erinev. Näiteks bipolaarsele lülitumisele on iseloomulik ioonide ja hapniku vakantside liikumine elektrivälja toimel. Samas unipolaarse lülitumise korral toimub formeerumine enamasti termilise olukorra muutumise tõttu. Takistuslülituse rakendust nähakse eelkõige tulevastes andmekandjate ja arvutimälutehnoloogiates tänu lihtsale integreeritavusele CMOS-tehnoloogiaga. Lisaks andmekandjatehnoloogiatele on valmistatud takistuslülitusel põhinevaid digitaalloogikaväravaid (nt JA AND, VÕI OR), kus takistuslülituv element on kasutusel kui digitaalne lüliti, ja mäluga digitaalloogikaskeeme (nt lukk-registrid latch, summaatorid adder). Takistuslülitus nähtus pakub huvi ka tehisnärvivõrkude (neuralnetworks) riistvara arendusele, mis jäljendab inimaju neuron-sünaps tööpõhimõtet. FeRAM MRAM NRAM Oxide-based Resistive Memory Technology, 2011, Industrial Technologi Research Institute, https://web.archive.org/web/20141213022537/http://phys.nsysu.edu.tw/ezfiles/85/1085/img/588/Oxide-basedResistiveMemoryTechnology_CHLien.pdf . I. Kärkkänen Resistive swiching in ZrO2 based metal-oxide-metal structures, 2014, Forschungszentrum Jülich GmbH,Jülich J.S.Lee, S.Lee, T.W.Noh, Resistive switching phenomena: A reviw of statistical physics approaches, 2015, AIP Publishing LLC D. Wouters(2009), https://web.archive.org/web/20160305045716/http://blogs.exeter.ac.uk/imst/files/2010/01/T05_IMST2009_Tutorial_Wouters.pdf R. Waser, M. Wuttig, Memristive Phenomena - From fundamental physics to neuromorphic computing, 2016, Forschungszentrum Jülich GmbH J.Merisalu Takistuslülitused titaanalumiiniumoksiid-kiledes, 2018, Tartu Ülikool K. Fröhlich TiO2-based structures for nanoscale memory applications, 2013, Mat. Sci. in Sem. Proc. vol 16 Doo Seok Jeong, Reji Thomas, R S Katiyar, J F Scott, H Kohlstedt, A Petraru and Cheol Seong Hwang, Emerging memories: resistive switching mechanisms and current status,2012, Rep. Prog. Phys. vol 75, 076502 T.V. Nguyen, K.V. Pham, K.-S. Min Hybrid Circuit of Memristor and Complementary Metal-Oxide-Semiconductor for Defect-Tolerant Spatial Pooling with Boost-Factor Adjustment, 2019, Materials, vol 12, 2122