Multi-layer memristors for large-scale artificial neural network application

Abstract

This study investigates the fabrication, electrical characterization, and optimization of Al₂O₃- based memristor devices using various electrode materials and configurations. The devices were con- structed with different top contacts (Al, Ag, Cu, Ti/Au) and bottom electrodes (AZO, Mo, Ti/Pt) com- bined with Al₂O₃ switching layers deposited via Atomic Layer Deposition (ALD). Initial tests demon- strated that the device's switching behaviour was influenced by the electrode material and the thickness of the switching layer. Devices with Ag and Cu top electrodes demonstrated better switching perfor- mance compared to those with Al or Ti/Au electrodes, attributed to the formation of stable conductive filaments. To further enhance device performance and reliability, argon plasma treatment was applied to the switching layer. However, the treatment failed to significantly improve switching properties, leading to inconsistent device performance and reduced stability. While an asymmetric defect profile was achieved by adding a sub stoichiometric AlOx layer between the Al₂O₃ and the top electrode improving defect density control and contributing to more stable filament formation and dissolution The final Pt/Al₂O₃/AlOx /Cu configuration showed improved stability and switching performance, making it a promising candidate for non-volatile memory applications. These results highlight the im- portance of electrode selection, layer thickness control, and defect engineering in optimizing Al₂O₃- based memristors for potential applications in non-volatile memory technologies.

Com este trabalho pretende-se investigar a fabricação, caracterização elétrica e otimização de memristores baseados em Al₂O₃, utilizando vários materiais e configurações. Os dispositivos foram cri- ados com diferentes contatos superiores (Al, Ag, Cu, Ti/Au) e elétrodos inferiores (AZO, Mo, Ti/Pt), combinados com camadas ativas de Al₂O₃ depositadas via Atomic Layer Deposition (ALD). Os testes iniciais mostraram que a escolha do elétrodo e a espessura da camada de ativa influenciaram fortemente o comportamento dos dispositivos. Dispositivos com elétrodos superiores de Ag e Cu exibiram melhor electroforming em comparação com aqueles com elétrodos de Al ou Ti/Au, devido à formação de fila- mentos condutores mais estáveis. Para melhorar o desempenho dos dispositivos aplicou-se um tratamento com plasma de argon na camada de Al2O3. No entanto, o tratamento não melhorou significativamente as propriedades de switching, resultando num desempenho inconsistente. A introdução de um perfil assimétrico de defeitos, por meio da adição de uma camada subestequiométrica de AlOx entre o Al₂O₃ e o elétrodo superior, melhorou o controle da densidade de defeitos e contribuiu para a formação e dissolução mais estável dos filamentos. A configuração final, consistindo em uma estrutura Pt/Al₂O₃/AlOx /Cu, mostrou estabilidade e desempenho da switching layer. Esses resultados destacam a importância da seleção de elétrodos, con- trole da espessura das camadas e engenharia de defeitos na otimização de memristores baseados em Al₂O₃ para aplicações em tecnologias de memória.