Modelización compacta de las características de conducción de dispositivos de conmutación resistiva

Abstract

La línea de investigación en la que se enmarca esta tesis doctoral se sitúa en torno a un modelo compacto para las características de conducción de estructuras metal-aislante-metal (MIM) en las que se observa el fenómeno de conmutación resistiva o como es más conocido en inglés, resistive switching (RS). Los materiales seleccionados han sido principalmente óxido de titanio (TiO2) y óxido de hafnio (HfO2). En el caso del TiO2 las actividades se han realizado en colaboración con el grupo de Física de Materiales de la Comisión Nacional de Energía Atómica, Buenos Aires, Argentina. En el caso del HfO2, se ha colaborado con el Institute of Electrical Engineering, SAS, Bratislava, Eslovaquia. También se ha trabajado con otros materiales y otros grupos de investigación (University College London, Universidad de Valladolid, University of Helsinki, etc.). El modelo propuesto consiste en una representación circuital equivalente formada por diodos y resistencias series y paralelo. La ecuación resultante del circuito se resuelve utilizando la función W de Lambert. Para incluir esta función en un modelo compacto se requieren aproximaciones especiales. El efecto de memoria se representa como una relación recursiva para una variable interna del dispositivo tal como se considera en sistemas memristivos. También se han desarrollado las herramientas para que el modelo propuesto inicialmente incluya el efecto de memoria (comportamiento de histéresis) pero de manera más general. Se trata de una aproximación del tipo Preisach. Esto es una novedad en el área de modelado compacto de la conmutación resistiva. Por otro lado, la actividad también se ha centrado en la fabricación de estructuras MIM de dimensiones pequeñas que muestren conmutación resistiva, con estructuras definidas como cruce de dos líneas de metal de dimensiones pequeñas (tipo crossbar). Las muestras se han fabricado en el Centro Nacional de Microelectrónica (ICMAB-CNM) bajo la supervisión de la Dra. Francesca Campabadal y de la Dra. Mireia González. Al presentarse esta tesis en formato de compendio de publicaciones, los resultados mostrados harán referencia a los artículos publicados elaborados como primer autor. Los temas a tratar en los distintos capítulos serán los siguientes:

• En el capítulo 1 se introduce la fenomenología asociada a la conmutación resistiva: tipos de conmutación (bipolar, unipolar, filamentaria, no filamentaria, de transiciones de estado suaves o abruptas, etc.), materiales usados, tecnología asociada (arrays, crossbar, etc.) y aplicaciones futuras.

• En el capítulo 2 se recopilan los tipos de modelos de conmutación resistiva. Se presenta el estado del arte en modelos de descripción memristiva previo a la presentación al modelo compacto desarrollado como parte de esta tesis.

• El capítulo 3 describe el modelo circuital utilizado para representar la conmutación resistiva desde sus inicios: el modelo del contacto puntual cuántico (QPC). También describe la evolución de la función sigmoide considerada, función esencial para la simulación de los estados de baja (HRS) y alta (LRS) conducción del ciclo de histéresis.

• Los modelos descritos en el capítulo 4 añaden a la capacidad de simular transiciones de estado completas del capítulo anterior, la posibilidad de simular también transiciones parciales.

• El capítulo 5 se centra en la fabricación de estructuras del tipo MIM llevada a cabo en el CNM-ICMAB, Barcelona. Se describe la estructura fabricada, se muestran los resultados de la caracterización eléctrica y se representan los datos experimentales utilizando alguno de los modelos reportados en los puntos anteriores.

Finalmente el capítulo 6 presenta las conclusiones obtenidas como consecuencia de las investigaciones desarrolladas a lo largo de la tesis.

The research area where this Ph. D thesis is framed is situated around a compact model for the conduction characteristics of metal-insulator-metal (MIM) structures in which resistive switching (RS) phenomena is observed. Titanium Oxide (TiO2) and Hafnium Oxide (HfO2) have been mainly the selected materials. In the case of TiO2, activities have been developed in collaboration with Physics Materials Group of CNEA, Buenos Aires, Argentina. In the case of HfO2, collaboration with the Institute of Electrical Engineering, SAS, Bratislava, Slovakia, has been performed. Moreover, other materials have been used in collaboration with other research groups (University College London, Universidad de Valladolid, University of Helsinki, etc.). The model proposed consists in an equivalent circuit representation based on diodes and series or parallel resistances. The resulting circuit equation is solved using the W Lambert function. To include this function in a compact model special approximations are required. The memory effect is represented as a recursive relation for an internal variable of the device, as is considered in memristive systems. Furthermore, tools to include the memory effect (hysteresis behavior) in the model have been developed, but in a more general from. It consists in a Preisach-like approximation. This is new in the field of the resistive switching compact modeling. On the other hand, the doctorate activity has also focused on the nanoscale MIM structure fabrication that shows resistive switching, structures defined with crossbar-like electrodes. The samples are fabricated at ICMAB-CNM under supervision of Dr. Francesca Campabadal and Dr. Mireia González. As compendium of works thesis, the presented results will refer to the published works done written as first author. The subjects to develop in the chapters are the following:

• In chapter 1, resistive switching associated phenomenology is introduced: switching (bipolar, unipolar, filamentary, interfacial, soft or hard state transitions, etc.), used materials, technology associated (arrays, crossbar, etc.) and future applications.

• In chapter 2, resistive switching modeling types are collected. The estate of the art in memristive description models is presented before presenting the compact model developed as part of the thesis.

• Chapter 3 describes from its origins the circuit model used to represent the resistive switching: Quantum Point Contact model (QPC). The evolution of the considered sigmoid function, essential function to simulate low (HRS) and high (LRS) conduction of the hysteretic cycle, is also described.

• The models described in chapter 4 add to the ability of simulating full state transitions of the past chapter the ability of simulating partial transitions.

• Chapter 5 is focused on the MIM structures fabrication developed at CNM-ICMAB, Barcelona. The fabricated structure is described, the electric characterization results are shown and the experimental data is represented using some of the reported models of the past chapters.

• Finally the chapter 6 presents the conclusions obtained as a result of the developed research within the thesis.