Resistive switching of amorphous non-stoichiometric gallium oxide thin films

Hein, Philipp Andreas; Martin, Manfred; Lüchow, Arne

doi:44894

Resistive switching of amorphous non-stoichiometric gallium oxide thin films = Resistives Schalten von amorphen nicht-stöchiometrischen Galliumoxid-Dünnschichten

Hein, Philipp Andreas^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Andreas Hein, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Martin, Manfred (Thesis advisor)^RWTH* ; Lüchow, Arne (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08752
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020071/files/1020071.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
amorphous (frei) ; gallium oxide (frei) ; oxygen-deficient (frei) ; resistive switching (frei) ; variable-range hopping (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Amorphes, nicht-stöchiometrisches Galliumoxid (a-GaOx, x < 1.5) ist ein vielversprechendes Material für resistiv schaltende Speicher- und Logikelemente, insbesondere im Bereich neuromorpher Computerschaltkreise. Trotz erheblicher Forschungsbemühungen in den letzten Jahren ist der Mechanismus des resistiven Schaltens von a-GaOx bisher nicht geklärt. In der zugehörigen Literatur ist ein breites Spektrum unterschiedlichen Schaltverhaltens dokumentiert, zusammen mit vielen verschiedenen Interpretationen. Das Ziel dieser Arbeit ist ein tieferes Verständnis der Schaltprozesse in a-GaOx, indem primär die Elektronenleitung und ihre potentielle Beeinflussung durch Ionenmigration untersucht wird. Die durchgeführten Messungen zum resistiven Schalten zeigen nicht nur alle drei bekannten bipolaren Schaltmuster ("counter-8", "figure-8" und "abnormal"), sondern auch deren Beziehung untereinander. Die erstmals quantifizierte Oberflächenoxidation von a-GaOx und die maximal angelegte Spannung scheinen eine entscheidende Rolle zu spielen. Das Highlight dieser Arbeit ist die Entdeckung, dass "Variable-Range Hopping" (VRH) der vorherrschende Elektronenleitungsmechanismus in a-GaOx bei Raumtemperatur ist. Zuvor wurde ubiquitär angenommen, dass wie üblich Bandleitung dominieren würde. Die gemessenen Leitfähigkeiten folgen genau der exponentiellen T^(-1/4)-Abhängigkeit, die nach dem Mott'schen Gesetz für VRH erwartet wird. Die lokalisierten Elektronenzustände nahe des Fermi-Niveaus, zwischen denen die Übergänge bei VRH stattfinden, werden durch Photoemissionsspektroskopie und Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen nachgewiesen. Letztere bilden die Basis für Kinetik-Monte-Carlo-Simulationen, welche die Leitfähigkeitsmessungen quantitativ reproduzieren. Dies sind sehr wahrscheinlich die ersten VRH-Simulationen mit einer ab-initio Zustandsdichte eines amorphen Materials. Sie ergeben in Übereinstimmung mit den Experimenten eine nicht-lineare Verringerung der Leitfähigkeit bei steigendem O/Ga-Verhältnis x. Hohe elektrische Feldstärken führen zu einer stark erhöhten Elektronentemperatur und zu einem exponentiellen Anstieg der Leitfähigkeit, welcher zur Krümmung der gemessenen Schaltkurven passt. Die Konsequenzen des VRH-Transports auf der Ebene der Schaltelemente, insbesondere für die Schottky-Barrieren an den Grenzflächen, werden schließlich durch Finite-Elemente-Modellierung untersucht. Es zeigt sich, dass der Gesamtwiderstand typischerweise von schmalen Bereichen nahe der Metall|a-GaOx-Grenzflächen dominiert wird. Die Veränderung der VRH-Leitfähigkeit in diesen Bereichen in Abhängigkeit von der lokalen elektrischen Feldstärke führt zu symmetrischen, S-förmigen Strom-Spannungs-Kurven, die denen im Experiment ähneln. Das resistive Schalten erfolgt daher wahrscheinlich durch Veränderungen des O/Ga-Verhältnisses in diesen Regionen. Ausgehend von dieser Schlussfolgerung wird ein neuer Mechanismus für das resistive Schalten von a-GaOx vorgeschlagen, der die vielfältigen experimentellen Beobachtungen erklären würde.

Amorphous, non-stoichiometric gallium oxide (a-GaOx, x < 1.5) is a promising material for resistive switching memory and logic, especially for neuromorphic computing. However, despite considerable research efforts in recent years, its resistive switching mechanism is still far from understood. A wide range of different switching patterns has been reported, without consensus in the interpretations. This work aims at a deeper understanding of the resistive switching processes in a-GaOx, by focusing on the electron transport and the ways it can be influenced by ion migration. The resistive switching measurements not only confirm counter-8, figure-8 and abnormal bipolar resistive switching, but also unveil new links between these switching patterns. The surface oxidation of a-GaOx, which is quantified for the first time, and the voltage amplitude seem to play a decisive role. The highlight of this work is the discovery of variable-range hopping (VRH) as the dominating electron transport mechanism in a-GaOx at room temperature. This has never been reported before, as all previous works explicitly or implicitly assumed band conduction. The measured conductivity closely follows the exponential T^(-1/4)-dependency of Mott's law for VRH. The presence of localized electronic states near the Fermi level is confirmed by photoemission spectroscopy and density functional theory. The electron hopping between the localized states is simulated with the kinetic Monte Carlo (KMC) method, in what are likely the first VRH simulations with an ab-initio density of states of an amorphous material. It is demonstrated that the KMC-VRH model can reproduce the conductivity measurements quantitatively. Experiment and simulation also agree that the conductivity decreases non-linearly with increasing O/Ga ratio. At high electric field strength, the simulations yield an elevated electron temperature and an exponential increase of the conductivity, in accordance with VRH theory and with notable resemblance to the resistive switching curves. Finally, the consequences of VRH on the device scale, particularly for metal|a-GaOx Schottky barriers, are investigated by finite element modeling. The device simulations reveal low-conductive regions near both interfaces, which typically dominate the total resistance. The electric field dependence of the VRH conductivity in these regions leads to symmetric, S-shaped current-voltage curves that are comparable to the experiments. Resistive switching thus occurs most likely via changes of the O/Ga ratio in these regions. Based on this conclusion, a new unified switching mechanism is devised that would explain the various experimental observations.

OpenAccess:
PDF
(additional files)