Published April 1, 2022 | Version v1
Publication Open

Universal non-polar switching in carbon-doped transition metal oxides (TMOs) and post TMOs

Creators

  • 1. University of Colorado Boulder
  • 2. Symetrix (United States)
  • 3. KU Leuven
  • 4. Universidade Federal do Rio de Janeiro
  • 5. University of Colorado Colorado Springs

Description

Transition metal oxides (TMOs) and post-TMOs (PTMOs), when doped with carbon, show non-volatile current–voltage characteristics, which are both universal and repeatable. We have shown spectroscopic evidence of the introduction of carbon-based impurity states inside the existing larger bandgap effectively creating a smaller bandgap, which we suggest could be a Mott–Hubbard-like correlation effects. Our findings indicate new insights for yet to be understood unipolar and nonpolar resistive switching in the TMOs and PTMOs. We have shown that device switching is not thermal-energy dependent and have developed an electronic-dominated switching model that allows for the extreme temperature operation (from 1.5 to 423 K) and state retention up to 673 K for a 1 h bake. Importantly, we have optimized the technology in an industrial process and demonstrated integrated 1-transistor/1-resistor arrays up to 1 kbit with 47 nm devices on 300 mm wafers for advanced node CMOS-compatible correlated electron random access memory. These devices are shown to operate with 2 ns write pulses and retain the memory states up to 200 °C for 24 h. The collection of attributes shown, including scalability to state-of-the-art dimensions, non-volatile operation to extreme low and high temperatures, fast write, and reduced stochasticity as compared to filamentary memories, such as resistive random-access memories, shows the potential for a highly capable two-terminal back-end-of-line non-volatile memory.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تُظهر أكاسيد الفلزات الانتقالية (TMOs) وأكاسيد الفلزات الانتقالية (PTMO)، عند تعاطيها بالكربون، خصائص جهد التيار غير المتطايرة، والتي تكون عالمية وقابلة للتكرار. لقد أظهرنا أدلة طيفية على إدخال حالات الشوائب القائمة على الكربون داخل فجوة النطاق الترددي الأكبر الحالية بشكل فعال مما يخلق فجوة نطاق ترددي أصغر، والتي نقترح أنها يمكن أن تكون تأثيرات ارتباط تشبه Mott - Hubbard. تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى رؤى جديدة للتبديل المقاوم أحادي القطب وغير القطبي الذي لم يتم فهمه بعد في TMOs و PTMOs. لقد أظهرنا أن تبديل الجهاز لا يعتمد على الطاقة الحرارية وقمنا بتطوير نموذج تبديل يهيمن عليه الإلكترونيات يسمح بتشغيل درجة الحرارة القصوى (من 1.5 إلى 423 كلفن) والاحتفاظ بالحالة حتى 673 كلفن للخبز لمدة ساعة واحدة. والأهم من ذلك، أننا قمنا بتحسين التكنولوجيا في عملية صناعية وأظهرنا صفيفات متكاملة من 1 ترانزستور/1 مقاوم تصل إلى 1 كيلوبت مع أجهزة 47 نانومتر على رقائق 300 مم لذاكرة وصول عشوائي مترابطة متوافقة مع CMOS. يظهر أن هذه الأجهزة تعمل بنبضات كتابة 2 نانوثانية وتحتفظ بحالات الذاكرة حتى 200 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. تُظهر مجموعة السمات الموضحة، بما في ذلك قابلية التوسع إلى أحدث الأبعاد، والعملية غير المتطايرة إلى درجات حرارة منخفضة وعالية للغاية، والكتابة السريعة، وانخفاض العشوائية مقارنة بالذكريات الخيطية، مثل ذكريات الوصول العشوائي المقاوم، إمكانية وجود ذاكرة غير متطايرة ذات طرفين ذات قدرة عالية.

Translated Description (French)

Les oxydes de métaux de transition (TMO) et les post-TMO (PTMO), lorsqu'ils sont dopés au carbone, présentent des caractéristiques courant-tension non volatiles, à la fois universelles et reproductibles. Nous avons montré des preuves spectroscopiques de l'introduction d'états d'impuretés à base de carbone à l'intérieur de la plus grande bande interdite existante, créant effectivement une bande interdite plus petite, ce qui, selon nous, pourrait être un effet de corrélation de type Mott-Hubbard. Nos résultats indiquent de nouvelles perspectives pour la commutation résistive unipolaire et non polaire encore à comprendre dans les TMO et les PTMO. Nous avons montré que la commutation des appareils ne dépend pas de l'énergie thermique et avons développé un modèle de commutation à prédominance électronique qui permet le fonctionnement à température extrême (de 1,5 à 423 K) et la rétention d'état jusqu'à 673 K pour une cuisson de 1 h. Il est important de noter que nous avons optimisé la technologie dans un processus industriel et démontré des réseaux intégrés de 1 transistor/1 résistance jusqu'à 1 kbit avec des dispositifs de 47 nm sur des plaquettes de 300 mm pour une mémoire vive électronique corrélée compatible CMOS à nœud avancé. Il est démontré que ces appareils fonctionnent avec des impulsions d'écriture de 2 ns et conservent les états de la mémoire jusqu'à 200 °C pendant 24 h. La collection d'attributs présentés, y compris l'évolutivité aux dimensions de pointe, le fonctionnement non volatil à des températures extrêmement basses et élevées, l'écriture rapide et la stochasticité réduite par rapport aux mémoires filamenteuses, telles que les mémoires résistives à accès aléatoire, montre le potentiel d'une mémoire non volatile arrière de ligne à deux terminaux hautement performante.

Translated Description (Spanish)

Los óxidos de metales de transición (TMO) y los post-TMO (PTMO), cuando se dopan con carbono, muestran características de corriente-voltaje no volátiles, que son universales y repetibles. Hemos mostrado evidencia espectroscópica de la introducción de estados de impureza basados en carbono dentro de la banda prohibida más grande existente, creando efectivamente una banda prohibida más pequeña, lo que sugerimos que podría ser un efecto de correlación similar al de Mott-Hubbard. Nuestros hallazgos indican nuevos conocimientos para el cambio resistivo unipolar y no polar aún por comprender en los TMO y PTMO. Hemos demostrado que la conmutación del dispositivo no depende de la energía térmica y hemos desarrollado un modelo de conmutación dominado electrónicamente que permite el funcionamiento a temperatura extrema (de 1,5 a 423 K) y la retención del estado hasta 673 K para un horneado de 1 h. Es importante destacar que hemos optimizado la tecnología en un proceso industrial y hemos demostrado matrices integradas de 1 transistor/1 resistencia de hasta 1 kbit con dispositivos de 47 nm en obleas de 300 mm para una memoria de acceso aleatorio de electrones correlacionados compatible con CMOS de nodo avanzado. Se muestra que estos dispositivos funcionan con pulsos de escritura de 2 ns y conservan los estados de memoria hasta 200 °C durante 24 h. La colección de atributos que se muestran, incluida la escalabilidad a dimensiones de última generación, el funcionamiento no volátil a temperaturas extremadamente bajas y altas, la escritura rápida y la estocasticidad reducida en comparación con las memorias filamentosas, como las memorias resistivas de acceso aleatorio, muestra el potencial de una memoria no volátil de back-end de dos terminales de alta capacidad.

Files

5.0073513.pdf

Files (93 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b0d506893d4802090edf1644f5f082cd
93 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التبديل العالمي غير القطبي في أكاسيد الفلزات الانتقالية المشبعة بالكربون (TMOs) وما بعد TMOs
Translated title (French)
Commutation non polaire universelle dans les oxydes de métaux de transition dopés au carbone (OMT) et post OMT
Translated title (Spanish)
Conmutación universal no polar en óxidos de metales de transición dopados con carbono (TMO) y post TMO

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4293181063
DOI
10.1063/5.0073513

Is supplement to
https://openalex.org/W4298011929 (Other)
https://openalex.org/W4200206449 (Other)
https://openalex.org/W3161624601 (Other)
https://openalex.org/W2809602282 (Other)
https://openalex.org/W2626667124 (Other)
https://openalex.org/W2545245183 (Other)
https://openalex.org/W2350916061 (Other)
https://openalex.org/W2078381924 (Other)
https://openalex.org/W2054635671 (Other)
https://openalex.org/W1970117475 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1874293011
  • https://openalex.org/W1972068641
  • https://openalex.org/W1990459492
  • https://openalex.org/W2030261718
  • https://openalex.org/W2041643739
  • https://openalex.org/W2060559666
  • https://openalex.org/W2069080458
  • https://openalex.org/W2074283037
  • https://openalex.org/W2079796484
  • https://openalex.org/W2085740157
  • https://openalex.org/W2146061884
  • https://openalex.org/W2433248078
  • https://openalex.org/W2518096838
  • https://openalex.org/W2945805500
  • https://openalex.org/W3004145416
  • https://openalex.org/W3161042420