Resumen de Caracterización eléctrica de dispositivos de conmutación resistiva para su aplicación en el ámbito de memorias no volátiles y de circuitos neuromórficos
- español
En esta tesis doctoral se investiga el funcionamiento de dispositivos de conmutación resistiva (Resistive Switching) basados en estructuras MIM (Metal-Insulator-Metal), y cuya configuración consiste por tanto en dos electrodos metálicos separados por un material aislante o dieléctrico. Es precisamente el dieléctrico de cada una de estas estructuras el elemento preponderante en nuestro estudio a la hora de agruparlas y compararlas. El funcionamiento de una memoria de conmutación resistiva (RRAM) se basa en la propiedad de modular la resistencia eléctrica del material aislante que forma parte de ella y, por tanto, de la corriente que circula entre ambos electrodos. La capa de material dieléctrico, debido a su escaso espesor (entre 3 y 100 nm, habitualmente) puede experimentar una ruptura dieléctrica (breakdown) cuando es sometida a un estrés eléctrico, lo que genera caminos de corriente entre los electrodos para después funcionar como una memoria gracias a una reversibilidad parcial de los niveles de conductividad en su interior. De esta forma, mediante la formación y la ruptura de uno o varios filamentos conductores en el dieléctrico, se puede controlar el estado del dispositivo de manera que conmute entre dos niveles de resistencia (baja y alta, respectivamente), lo que fundamenta su aplicación en el ámbito de las memorias no volátiles.
Por otra parte, puesto que el valor de la resistencia eléctrica efectiva de la estructura está ligado a la existencia de filamentos conductores en el seno del dieléctrico, también es posible conseguir un funcionamiento de naturaleza analógica efectuando un control del número y grosor de los filamentos, lo que genera la existencia de múltiples estados intermedios entre el de baja y el de alta resistencia. Esta propiedad permite emular el comportamiento de las conexiones sinápticas de las neuronas y abre la puerta a las aplicaciones en el campo de los circuitos neuromórficos, en los cuales estos dispositivos ejercen labores de sinapsis electrónicas.
VII En consecuencia, nuestro estudio consiste en la caracterización eléctrica del comportamiento de los dispositivos de conmutación resistiva desde dos vertientes: digital y analógica. La perspectiva digital se basa en el control de dos estados bien diferenciados, mientras que la analógica es más compleja: la repetitividad de un quasicontinuum de estados intermedios y la existencia de procedimientos eficaces para recorrer dichos estados suponen un reto científico y tecnológico de gran magnitud. Como se irá detallando a lo largo de estas páginas, el universo de aplicaciones que se abre tras estos dispositivos abarca un amplio espectro de posibilidades. Esto los sitúa en un foco de interés que recorre un ámbito multidisciplinar desde la ciencia de materiales hasta los circuitos inspirados en estructuras biológicas, pasando por la criptografía (cuya aproximación es posible debido a la conmutación probabilística que permite realizar funciones inclonables) y el desarrollo de redes neuronales y de aplicaciones basadas en aprendizaje profundo (deep-learning).
La principal aportación de este trabajo ha sido la realización de un estudio sistemático de un conjunto de dispositivos de conmutación resistiva basados en una amplia gama de materiales dieléctricos, mediante técnicas de caracterización eléctrica (donde algunas de las cuales son genuinas de nuestro grupo de investigación). El estudio de parámetros tanto de continua como de pequeña señal, el establecimiento de variables como la frecuencia y la temperatura, la utilización de técnicas de inyección de corriente y de carga, y el desarrollo de métodos para controlar con precisión el recorrido por los estados intermedios, constituyen el mayor valor científico original de esta Tesis Doctoral. Como va a quedar demostrado, la colaboración con grupos de reconocida trayectoria ha sido decisiva para acometer esta ambiciosa tarea. En esta memoria se separa el contenido principal en tres partes bien diferenciadas: estructuras MIM basadas en óxido de hafnio, estructuras MIM fabricadas con diversos óxidos funcionales, y estructuras más avanzadas con configuración 1-transistor-1-resistencia (1T1R) de óxido de hafnio y óxido de hafnio dopado con aluminio. Los dispositivos de óxido de hafnio, de una gran calidad por su excelente repetitividad, han sido fabricados en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona. El apartado de óxidos funcionales presenta algunas combinaciones de óxidos menos convencionales como material dieléctrico; las muestras de laboratorio descritas en esa sección VIII proceden de la Universidad de Tartu (Estonia) y de la Universidad de Helsinki (Finlandia). Por otra parte, el apartado de estructuras 1T1R surgió a partir de las dos estancias que desarrollé en el centro de investigación IHP de Fráncfort del Óder (Alemania).
Los capítulos 4, 5 y 6 son los de mayor extensión y constituyen el verdadero núcleo de este trabajo, pues aglutinan todo el compendio de resultados de las tres partes antes mencionadas. Los capítulos previos proporcionan un contexto científico al exponer el estado del arte: los capítulos 1 y 2 abordan los fundamentos básicos de los dieléctricos de alta permitividad y de las memorias de conmutación resistiva, y el capítulo 3 hace mención a las técnicas de caracterización eléctrica de memristores, incidiendo en las que aplicamos de manera sistemática en nuestro grupo de investigación. Por último, en el capítulo 7 se exponen las principales aportaciones, así como una valoración del trabajo que he realizado durante mi travesía predoctoral.
- English
In this thesis it is investigated the behavior of Resistive Switching devices based on MIM (Metal-Insulator-Metal) structures, which configuration therefore consists in two metallic electrodes separated by an insulating material or dielectric. Indeed, the dielectric of each one of these structures is the main element in our study with the aim of grouping and comparing them. The operation of a resistive switching memory (RRAM) is based on the property to modulate the electric resistance of the insulating material which is part of it, and consequently on the ability to regulate the current which flows between both electrodes. The film of dielectric material, given its scarce thickness (usually between 3 and 100 nm), can experiment a dielectric breakdown when it is under an electric stress. This fact generates current paths between the electrodes which make the dielectric to behave as a memory thanks to a partial reversibility of the conductance levels in its inner part. As a result, through the formation and rupture of one or more conductive filaments in the dielectric, the state of the device can be controlled in such a way that it switches between two resistance levels (low and high, respectively), which fundaments its application in the scope of non-volatile memories.
Moreover, as the value of the effective electric resistance of the structure is related to the existence of conductive filaments in the core of the dielectric, it is also possible to get an analogical functioning by controlling the number and thickness of the filaments. This generates the potential presence of multiple intermediate states among low and high resistance ones. Thus, this property avails to emulate the behavior of the neurons synaptic connections and opens a window of opportunity to the applications in the neuromorphic circuits area, where these devices act as electronic synapses.
As a consequence, our study consists in the electric characterization of the resistive switching devices behavior from two perspectives: digital and analogical. The digital one is based on controlling two well-differentiated states, while the analogical is more complex: the repetitivity of an intermediate states quasicontinuum and the existence of effective procedures to go across those states, conform a large-scale scientific and technological challenge. As it will be described along these pages, the universe of applications which appears behind these devices comprises a wide range of possibilities. This locates them in a focus of interest which covers a multidisciplinary field from materials science to bio-inspired circuits, passing through the criptography (where they can fit into, because of the probabilistic switching which permits to perform unclonable functions) and the development of neural networks and deep-learning-based applications.
The main contribution of this work has been the accomplishment of a systematic study of a group of resistive switching devices based on a wide gamut of dielectric materials, by using electric characterization techniques (where some of them are genuine from our research group). The analysis of both DC and small-signal parameters, the setting of variables like frequency and temperature, the usage of current and charge injection techniques, and the development of methods to precisely control the itinerary through the intermediate states, all constitute the biggest original scientific value of this thesis. As it will be shown, the collaboration with research groups of renowned trajectory has been decisive to undertake this ambitious task. In this dissertation, the main content has been split in three distinct parts: MIM structures based on hafnium oxide, MIM structures fabricated with diverse functional oxides, and more advanced structures with 1-transistor-1-resistor configuration (1T1R) with dielectric of hafnium oxide and aluminium-doped hafnium oxide. The hafnium oxide devices, which exhibit a great repetitivity, have been fabricated in the Microelectronics Institute of Barcelona. The functional oxides section presents some less-conventional oxides combinations as dielectric material. The laboratory samples characterized in that section come from the University of Tartu (Estonia) and from the University of Helsinki (Finland). On the other hand, the 1T1R structures part emerged from my two pre-doctoral stays which I spent in IHP research centre located in Frankfurt-Oder (Germany).
Chapters 4, 5 and 6 have the longest extension and represent the true core of this work, because they agglutinate the full compendium of results which belong to the three parts previously mentioned. The precedent chapters apport a scientific context by exposing the state-of-the-art: chapters 1 and 2 address the basic fundaments of the high-k dielectrics and the resistive switching memories, and Chapter 3 mentions the electric characterization techniques of memristors, putting the focus on those which we systematically apply in our research group.
Finally, in Chapter 7 the principal contributions are explained along with a general valuing of the work I have carried out during my pre-doctoral journey
