Structural effects on the performance of 2D metal/semiconductor contacts and RRAM devices: first-principles and molecular dynamics studies

Abstract

A la present tesi s’han estudiat propietats de transport electrònic en unions laterals metall-semiconductor de MoS2, utilizant funcions de Green de no equilibri, destinades a contactar canals 2D en transistors. Els resultats obtinguts han contribuït a comprendre l’electrostàtica en unions 2D. A més a més, l’avaluació de diferents geometries de la interfície metall-semiconductor ha permès predir les condicions que proporcionen millors propietats de contacte. Aquests estudis han donat lloc al desenvolupament d’un nou procediment per determinar els règims d’emissió en unions 2D metall-semiconductor, experimentalment o teòrica.

D’altra banda, també s’han estudiat dispositius RRAM basats en HfO2 per mitjà de simulacions de dinàmica molecular, implementant un mètode d’equilibratge de càrrega que permet descriure l’efecte d’un camp elèctric extern, amb la qual cosa s’ha pogut caracteritzar el procés de “forming”, “reset” i “set”. Mitjançant l’anàlisi de la migració d’ions d’oxigen i el canvi en la coordinació dels àtoms de Hf en el dielèctric s’ha pogut descriure la formació i dissolució de filaments conductors durant el funcionament del dispositiu amb un nivell de detall sense precedents. Aquests estudis han estat complementats amb càlculs DFT d’energies de formació i barreres d’activació corresponents a la migració de vacàncies d’oxigen sota l’efecte d’un camp elèctric extern. Per tal d’obtenir aquests resultats, s’ha proposat un nou esquema amb el qual és possible realitzar càlculs DFT en materials 2D, introduint càrrega neta i un camp extern.

Finalment, el fenomen de “Resistive swithching” en cel·les RRAM basades en MoS2 amb electrodes d’or s’ha estudiat per mitjà de càlculs de transport usant primers principis, amb l’objectiu de dilucidar les estructures responsables dels estats d’alta i baixa resistivitat.

En la presente tesis se estudiaron propiedades de transporte electrónico en uniones laterales metal-semiconductor de MoS2, usando funciones de Green de no equilibrio, destinadas a contactar canales 2D en transistores. Los resultados obtenidos contribuyeron a comprender la electrostática en uniones 2D. Además, la evaluación de diferentes geometrías de la interfaz metal-semiconductor permitió predecir las condiciones que proporcionan mejores propiedades de contacto. Estos estudios dieron lugar al desarrollo de un nuevo procedimiento para determinar los regímenes de emisión en uniones 2D metal-semiconductoras, experimental o teóricamente.

Por otro lado, también se estudiaron dispositivos RRAM basados en HfO2 por medio de simulaciones de dinámica molecular, implementando un método de equilibración de carga que permite describir el efecto de un campo eléctrico externo, con lo cual se pudo caracterizar el proceso de "orming", "reset" y "set". A través del análisis de la migración de iones de oxígeno y el cambio en la coordinación de los átomos de Hf en el dieléctrico se pudo describir la formación y disolución de filamentos conductores durante el funcionamiento del dispositivo con un nivel de detalle sin precedentes. Estos estudios fueron complementados con cálculos de DFT de energías de formación y barreras de activación correspondientes a la migración de vacancias de oxígeno bajo el efecto de un campo eléctrico externo. Para obtener estos resultados, se propuso un novedoso esquema con el que es posible realizar cálculos DFT en materiales 2D, introduciendo carga neta y un campo externo.

Finalmente, el fenómeno de "resistive swithching" en celdas RRAM basadas en MoS2 con electrodos de oro se estudió por medio de cálculos de transporte usando primeros principios, con el objetivo de dilucidar las estructuras responsables de los estados de alta y baja resistividad.

In this theis, finite bias transport properties of 2D MoS2 lateral metal-semiconductor junctions were studied through non-equilibrium Green's functions calculations, aimed at contacting the 2D channel in a field effect transistor. The obtained results contributed to the understanding of the electrostatics in 2D junctions. Besides, the evaluation of different interface geometries allowed to predict the conditions that provide better contacting properties. From these studies, we contributed with an improved procedure to determine, experimentally or theoretically, emission regimes in 2D metal-semiconducting junctions.

Also, HfO 2 -based RRAM cells were studied using MD simulations with an extended charge equilibration method to describe external electric fields, which allowed to characterize the forming, reset and set processes. The analysis of the migration of oxygen ions and the change in the coordination of Hf atoms in the dielectric was used to describe the formation and dissolution of conductive filaments during the operation of the device with unprecedented detail. These studies were completed with DFT calculations of formation energies and activation barriers for the migration of oxygen vacancies, also obtained under the effect of an external electric field. In order to achieve such purpose, a novel scheme to perform calculations of slabs including a net charge and an electric field was proposed.

Finally, resistive switching phenomena in MoS 2 monolayers sandwiched between Au electrodes was studied through DFT transport calculations, with the

intent to elucidate the structure responsable for the high and low resistance states.