We compared the resistive switching performances of built-in graded oxygen concentration TaOx films and uniform TaOx films under the 100 μA compliance current. The device with a graded oxygen concentration demonstrates increased low resistance and high resistance states, as well as improved stability without the need of higher switching voltages. Using the pulse mode, the switching voltages were confirmed to be less than 1.0 V for the pulse widths of 100 ns and 50 ns and less than 3.3 V for that of 10 ns, showing great advantages over previous reports. The remarkably high performances are due to the built-in oxygen concentration gradient, which results in an electric-field gradient and temperature along conduction paths, confining the rupture/reformation of the random conductive filaments to the customized highest oxygen concentration zone.

1.
Q.
Liu
,
J.
Sun
,
H. B.
Lv
,
S. B.
Long
,
K. B.
Yin
,
N.
Wan
,
Y. T.
Li
,
L. T.
Sun
, and
M.
Liu
,
Adv. Mater.
24
,
1844
(
2012
).
2.
W.
He
,
H.
Sun
,
Y.
Zhou
,
K.
Lu
,
K.
Xue
, and
X.
Miao
,
Sci. Rep.
7
,
10070
(
2017
).
3.
S.
Kim
,
S.
Choi
, and
W.
Lu
,
ACS Nano
8
,
2369
(
2014
).
4.
S. H.
Jo
,
T.
Chang
,
I.
Ebong
,
B. B.
Bhadviya
,
P.
Mazumder
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
10
,
1297
(
2010
).
5.
F.
Pan
,
S.
Gao
,
C.
Chen
,
C.
Song
, and
F.
Zeng
,
Mater. Sci. Eng. R
83
,
1
(
2014
).
6.
J. J.
Yang
,
M.-X.
Zhang
,
J. P.
Strachan
,
F.
Miao
,
M. D.
Pickett
,
R. D.
Kelley
,
G.
Medeiros-Ribeiro
, and
R. S.
Williams
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
232102
(
2010
).
7.
U.
Celano
,
L.
Goux
,
R.
Degraeve
,
A.
Fantini
,
O.
Richard
,
H.
Bender
,
M.
Jurczak
, and
W.
Vandervorst
,
Nano Lett.
15
,
7970
(
2015
).
8.
G. S.
Park
,
Y. B.
Kim
,
S. Y.
Park
,
X. S.
Li
,
S.
Heo
,
M. J.
Lee
,
M.
Chang
,
J. H.
Kwon
,
M.
Kim
,
U. I.
Chung
,
R.
Dittmann
,
R.
Waser
, and
K.
Kim
,
Nat. Commun.
4
,
2382
(
2013
).
9.
Q.
Liu
,
S. B.
Long
,
H. B.
Lv
,
W.
Wang
,
J. B.
Niu
,
Z. L.
Huo
,
J. N.
Chen
, and
M.
Liu
,
ACS Nano
4
,
6162
(
2010
).
10.
Y. B.
Zhu
,
K.
Zheng
,
X.
Wu
, and
L. K.
Ang
,
Sci. Rep.
7
,
43664
(
2017
).
11.
X. Y.
Li
,
X. L.
Shao
,
Y. C.
Wang
,
H.
Jiang
,
C. S.
Hwang
, and
J. S.
Zhao
,
Nanoscale
9
,
2358
(
2017
).
12.
C.
Ye
,
T.
Deng
,
J.
Zhang
,
L.
Shen
,
P.
He
,
W.
Wei
, and
H.
Wang
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
105005
(
2016
).
13.
T.
Guo
,
T.
Tan
,
Z.
Liu
, and
Z.
Wu
,
RSC Adv.
6
,
35740
(
2016
).
14.
T.-Y.
Su
,
C.-H.
Huang
,
Y.-C.
Shih
,
T.-H.
Wang
,
H.
Medina
,
J.-S.
Huang
,
H.-S.
Tsai
, and
Y.-L.
Chueh
,
J. Mater. Chem. C
5
,
6319
(
2017
).
15.
F.
Zeng
,
S.
Li
,
J.
Yang
,
F.
Pan
, and
D.
Guo
,
RSC Adv.
4
,
14822
(
2014
).
16.
M.-J.
Lee
,
C. B.
Lee
,
D.
Lee
,
S. R.
Lee
,
M.
Chang
,
J. H.
Hur
,
Y.-B.
Kim
,
C.-J.
Kim
,
D. H.
Seo
,
S.
Seo
,
U.-I.
Chung
,
I.-K.
Yoo
, and
K.
Kim
,
Nat. Mater.
10
,
625
(
2011
).
17.
S.
Gao
,
F.
Zeng
,
F.
Li
,
M.
Wang
,
H.
Mao
,
G.
Wang
,
C.
Song
, and
F.
Pan
,
Nanoscale
7
,
6031
(
2015
).
18.
J. J.
Yang
,
D. B.
Strukov
, and
D. R.
Stewart
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
13
(
2013
).
19.
H.
Lv
,
M.
Yin
,
Y.
Song
,
X.
Fu
,
L.
Tang
,
P.
Zhou
,
C.
Zhao
,
T.
Tang
,
B.
Chen
, and
Y.
Lin
,
IEEE Electron Device Lett.
29
,
47
(
2008
).
20.
C.
Ho
,
E.
Lai
,
M.
Lee
,
C.
Pan
,
Y.
Yao
,
K.
Hsieh
,
R.
Liu
, and
C.-Y.
Lu
, in
Symposium on VLSI Technology
(
2007
), pp.
228
229
.
21.
W.
Chien
,
Y.
Chen
,
K.
Chang
,
E.
Lai
,
Y.
Yao
,
P.
Lin
,
J.
Gong
,
S.
Tsai
,
S.
Hsieh
, and
C.
Chen
, in
Proceedings of the IEEE International Memory Workshop
, May 1–2,
2009
.
22.
M.-J.
Lee
,
C. B.
Lee
,
D.
Lee
,
S. R.
Lee
,
J.
Hur
,
S.-E.
Ahn
,
M.
Chang
,
Y.-B.
Kim
,
U.-I.
Chung
, and
C.-J.
Kim
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
725
(
2010
).
23.
M.
Yin
,
Y.
Yang
,
Z.
Wang
,
T.
Zhang
,
Y.
Fang
,
X.
Yang
,
Y.
Cai
, and
R.
Huang
, in
13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT)
(
2016
), pp.
1113
1115
.
24.
R.
Elliman
,
M.
Saleh
,
T.-H.
Kim
,
D.
Venkatachalam
,
K.
Belay
,
S.
Ruffell
,
P.
Kurunczi
, and
J.
England
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
307
,
98
101
(
2013
).
25.
B. X. A. S.
Watanabe
, in
Proceedings of the Extended Abstract SSDM
(
2014
), pp.
410
411
.
26.
C.
Chen
,
S.
Gao
,
F.
Zeng
,
G. S.
Tang
,
S. Z.
Li
,
C.
Song
,
H. D.
Fu
, and
F.
Pan
,
J. Appl. Phys.
114
,
014502
(
2013
).
27.
C.
Wang
,
H.
Wu
,
B.
Gao
,
W.
Wu
,
L.
Dai
,
X.
Li
, and
H.
Qian
,
Adv. Electron. Mater.
3
,
1700263
(
2017
).
28.
H.
Wu
,
X.
Li
,
F.
Huang
,
A.
Chen
,
Z.
Yu
, and
H.
Qian
,
Nanotechnology
26
,
035203
(
2014
).
29.
C.-W.
Hsu
,
Y.-F.
Wang
,
C.-C.
Wan
,
I.-T.
Wang
,
C.-T.
Chou
,
W.-L.
Lai
,
Y.-J.
Lee
, and
T.-H.
Hou
,
Nanotechnology
25
,
165202
(
2014
).
30.
Y.
Bai
,
H.
Wu
,
R.
Wu
,
Y.
Zhang
,
N.
Deng
,
Z.
Yu
, and
H.
Qian
,
Sci. Rep.
4
,
5780
(
2014
).
31.
S.
Sharath
,
J.
Kurian
,
P.
Komissinskiy
,
E.
Hildebrandt
,
T.
Bertaud
,
C.
Walczyk
,
P.
Calka
,
T.
Schroeder
, and
L.
Alff
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
073505
(
2014
).
32.
J. J.
Yang
,
F.
Miao
,
M. D.
Pickett
,
D. A.
Ohlberg
,
D. R.
Stewart
,
C. N.
Lau
, and
R. S.
Williams
,
Nanotechnology
20
,
215201
(
2009
).
33.
Z.
Wei
,
Y.
Kanzawa
,
K.
Arita
,
Y.
Katoh
,
K.
Kawai
,
S.
Muraoka
,
S.
Mitani
,
S.
Fujii
,
K.
Katayama
,
M.
Iijima
,
T.
Mikawa
,
T.
Ninomiya
,
R.
Miyanaga
,
Y.
Kawashima
,
K.
Tsuji
,
A.
Himeno
,
T.
Okada
,
R.
Azuma
,
K.
Shimakawa
,
H.
Sugaya
, and
T.
Takagi
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
(
2008
), p.
1
.
34.
K. M.
Kim
,
D. S.
Jeong
, and
C. S.
Hwang
,
Nanotechnology
22
,
254002
(
2011
).
35.
D.-H.
Kwon
,
K. M.
Kim
,
J. H.
Jang
,
J. M.
Jeon
,
M. H.
Lee
,
G. H.
Kim
,
X.-S.
Li
,
G.-S.
Park
,
B.
Lee
, and
S.
Han
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
148
(
2010
).
36.
K. M.
Kim
,
M. H.
Lee
,
G. H.
Kim
,
S. J.
Song
,
J. Y.
Seok
,
J. H.
Yoon
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
162912
(
2010
).
37.
C.
Chen
,
C.
Song
,
J.
Yang
,
F.
Zeng
, and
F.
Pan
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
253509
(
2012
).
38.
F.
Miao
,
J. P.
Strachan
,
J. J.
Yang
,
M. X.
Zhang
,
I.
Goldfarb
,
A. C.
Torrezan
,
P.
Eschbach
,
R. D.
Kelley
,
G.
Medeiros‐Ribeiro
, and
R. S.
Williams
,
Adv. Mater.
23
,
5633
(
2011
).
39.
C. D.
Landon
,
R. H.
Wilke
,
M. T.
Brumbach
,
G. L.
Brennecka
,
M.
Blea-Kirby
,
J. F.
Ihlefeld
,
M. J.
Marinella
, and
T. E.
Beechem
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
023108
(
2015
).
40.
Q.-Q.
Sun
,
J.-J.
Gu
,
L.
Chen
,
P.
Zhou
,
P.-F.
Wang
,
S.-J.
Ding
, and
D. W.
Zhang
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
1167
(
2011
).
41.
S.
Asapu
and
T.
Maiti
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
,
3145
(
2017
).
42.
S.
Kim
,
S. J.
Kim
,
K. M.
Kim
,
S. R.
Lee
,
M.
Chang
,
E.
Cho
,
Y. B.
Kim
,
C. J.
Kim
,
U.
Chung
, and
I. K.
Yoo
,
Sci. Rep.
3
,
1680
(
2013
).
43.
S.
Larentis
,
F.
Nardi
,
S.
Balatti
,
D. C.
Gilmer
, and
D.
Ielmini
,
IEEE Electron Device Lett.
59
,
2468
(
2012
).
44.
S.
Sharath
,
M.
Joseph
,
S.
Vogel
,
E.
Hildebrandt
,
P.
Komissinskiy
,
J.
Kurian
,
T.
Schröder
, and
L.
Alff
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
173503
(
2016
).
You do not currently have access to this content.