In this work, we enhance the DC/AC resistive switching performance in AlOx memristors by using a two-technique bilayer approach. Compared to the single-layer memristors (W/AlOx or Al2O3/Pt), the dual-layer memristor (W/AlOx/AlOy/Pt) shows high uniformity in DC cycling (σ/μ < 0.12), large memory window in AC cycling (>100), fast switching speed (20 ns), high endurance (107 cycles), and high-temperature stability (104 s at 125 °C). These performance enhancements are attributed to the localization of the conductive region after using a dual layer with different defect concentrations. Moreover, the W/AlOx/AlOy/Pt memristor exhibits stable III-bit multilevel storage capability by varying the amplitude of negative pulses. Our results provide an effective strategy to develop high-performance memristors for future memory and computing applications.

1.
P.
Yao
,
H.
Wu
,
B.
Gao
,
J. S.
Tang
,
Q. T.
Zhang
,
W. Q.
Zhang
,
J. J.
Yang
, and
H.
Qian
,
Nature
577
,
641
646
(
2020
).
2.
D.
Ielmini
and
H. P.
Wong
,
Nat Electron.
1
,
333
343
(
2018
).
3.
K.
Moon
,
S.
Lim
,
J.
Park
,
C.
Sung
,
S.
Oh
,
J.
Woo
,
J.
lee
, and
H.
Hwang
,
Faraday Discuss.
213
,
421
(
2019
).
4.
S.
Pi
,
C.
Li
,
H.
Jiang
,
W.
Xia
,
H.
Xin
,
J. J.
Yang
, and
Q.
Xia
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
35
(
2019
).
5.
C. S.
Hwang
and
B.
Dieny
,
MRS Bull.
43
(
5
),
330
333
(
2018
).
6.
Q.
Luo
,
X.
Xu
,
H.
Lv
,
T.
Gong
,
S.
Long
,
Q.
Liu
,
H.
Sun
,
L.
Li
,
N.
Lu
, and
M.
Liu
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
2016
), pp.
11.7.1
11.7.4
.
7.
M.
Yu
,
Y.
Cai
,
Z.
Wang
,
Y.
Fang
,
Y.
Liu
,
Z.
Yu
,
Y.
Pan
,
Z.
Zhang
,
J.
Tan
,
X.
Yang
 et al,
Sci. Rep.
6
,
1
10
(
2016
).
8.
W. C.
Chien
,
Y. C.
Chen
,
K. P.
Chang
,
E. K.
Lai
,
Y. D.
Yao
,
P.
Lin
,
J.
Gong
,
S. C.
Tsai
,
H.
Hsieh
,
C. F.
Chen
 et al, in
Proceeding International Memory Workshop
(
2009
), pp.
228
229
.
9.
H. Y.
Chen
,
S.
Brivio
,
C.-C.
Chang
,
J.
Frascaroli
,
T.-H.
Hou
,
B.
Hudec
,
M.
Liu
,
H.
Lv
,
G.
Molas
,
J.
Sohn
 et al,
J. Electroceram.
39
,
21
(
2017
).
10.
C.
Li
,
B.
Gao
,
Y.
Yao
,
X.
Guan
,
X.
Shen
,
Y.
Wang
,
P.
Huang
,
L.
Liu
,
X.
Liu
,
J.
Li
 et al,
Adv. Mater.
29
,
1602976
(
2017
).
11.
J.
Yin
,
F.
Zeng
,
Q.
Wan
,
F.
Li
,
Y.
Sun
,
Y.
Hu
,
J.
Liu
,
G.
Li
, and
F.
Pan
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1706927
(
2018
).
12.
S.-J.
Choi
,
G.-S.
Park
,
K.-H.
Kim
,
W.-Y.
Yang
,
H.-J.
Bae
,
K.-J.
Lee
,
H.
Lee
,
S. Y.
Park
,
S.
Heo
,
H.-J.
Shin
 et al,
J. Appl. Phys.
110
,
056106
(
2011
).
13.
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
 et al,
Nat. Mater.
10
,
625
(
2011
).
14.
H.
Wu
,
X.
Li
,
M.
Wu
,
F.
Huang
,
Z.
Yu
, and
H.
Qian
,
IEEE Electron Device Lett.
35
(
1
),
39
41
(
2014
).
15.
N.
Sedghi
,
H.
Li
,
I. F.
Brunell
,
K.
Dawson
,
R. J.
Potter
,
Y.
Guo
,
J. T.
Gibbon
,
V. R.
Dhanak
,
W. D.
Zhang
, and
J. F.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
102902
(
2017
).
16.
L.
Chen
,
H. Y.
Gou
,
Q. Q.
Sun
,
P.
Zhou
,
H. L.
Lu
,
P. F.
Wang
,
S. J.
Ding
, and
D. W.
Zhang
,
IEEE Electron Devices Lett.
32
(
6
),
794
796
(
2011
).
17.
D.
Kumar
,
R.
Aluguri
,
U.
Chand
, and
T. Y.
Tseng
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
203102
(
2017
).
18.
T.
Tan
,
Y.
Du
,
A.
Cao
,
Y.
Sun
,
H.
Zhang
, and
G.
Zha
,
R.. Soc. Chem. Adv.
8
(
73
),
41884
41891
(
2018
).
19.
H.
Woo
,
S. K.
Vishwanath
, and
S.
Jeon
,
J. Alloys Compd.
753
,
551
557
(
2018
).
20.
M.-K.
Kim
and
J.-S.
Lee
,
ACS Appl. Mater. Interfaces.
8
,
32918
32924
(
2016
).
21.
S. K.
Vishwanath
,
H.
Woo
, and
S.
Jeon
,
Nanotechnol.
29
,
235202
(
2018
).
22.
J. H.
Shin
,
Q.
Wang
, and
W. D.
Lu
,
IEEE Electron Device Lett.
39
(
10
),
1512
1515
(
2018
).
23.
P. K.
Nayak
,
J. A.
Caraveo-Frescas
,
Z.
Wang
,
M. N.
Hedhili
,
Q. X.
Wang
, and
H. N.
Alshareef
,
Sci. Rep.
4
,
4672
(
2014
).
24.
L.
Ni
,
Y.
Wang
,
H.
Yu
,
W.
Yang
,
C.
Weng
, and
J.
Zhao
,
Proceeding of the IEEE 21st ASP-DAC
(
2016
), pp.
280
285
.
25.
C.
Sung
,
S.
Lim
,
H.
Kim
,
T.
Kim
,
K.
Moon
,
J.
Song
,
J.-J.
Kim
, and
H.
Hwang
,
Nanotechnology
29
(
11
),
115203
(
2018
).
26.
X.
Huang
,
Y.
Li
,
H.
Li
,
K.
Xue
,
X.
Wang
, and
X.
Miao
,
IEEE Electron Device Lett.
41
(
4
),
549
552
(
2020
).
27.
M.
Lanza
,
H. S. P.
Wong
,
E.
Pop
,
D.
Ielmini
,
D.
Strukov
,
B. C.
Regan
,
L.
Larcher
,
M. A.
Villena
,
J. J.
Yang
,
L.
Goux
 et al,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1800143
(
2019
).
28.
B.
Gao
,
H.
Wu
,
W.
Wu
,
X.
Wang
,
P.
Yao
,
Y.
Xi
,
W.
Zhang
,
N.
Deng
,
P.
Huang
,
X.
Liu
 et al,
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
in (
2017
), pp. 91–94.
29.
A. S.
Sokolov
,
Y.-R.
Jeon
,
S.
Kim
,
B.
Ku
,
D.
Lim
,
H.
Han
,
M. G.
Chae
,
J.
Lee
,
B. G.
Ha
, and
C.
Choi
,
Appl. Surf. Sci.
434
,
822
(
2018
).
30.
S.
Gao
,
G.
Liu
,
Q.
Chen
,
W.
Xue
,
H.
Yang
,
J.
Shang
,
B.
Chen
,
F.
Zeng
,
C.
Song
,
F.
Pan
 et al,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
6453
(
2018
).
31.
Y. M.
Sun
,
X. L.
Zhao
,
C.
Song
,
K.
Xu
,
Y.
Xi
,
J.
Yin
,
Z. Y.
Wang
,
X. F.
Zhou
,
X. Z.
Chen
,
G. Y.
Shi
 et al,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1808376
(
2019
).
32.
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
).
33.
B.
Wang
,
K. H.
Xue
,
H. J.
Sun
,
Z. N.
Li
,
N.
Liu
,
B. Y.
Tian
,
X. X.
Liu
, and
X. S.
Miao
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
183501
(
2018
).
34.
M. A.
Zidan
,
J. P.
Strachan
, and
W. D.
Lu
,
Nat. Electron.
1
,
22
29
(
2018
).
35.
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.