Μελέτη Του Φαινομένου Εναλλαγής Της Αντίστασης (rram) Μέσω Πειράματος Και Προσομοίωσης

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής διατριβής είναι η μελέτη διατάξεων RRAM μέσω πειράματος και μοντελοποίησης. Κάθε μία από τις προαναφερθείσες διατάξεις απαρτίζεται από μια δομή MIM (Metal-Insulator-Metal), με τα λεπτά υμένια να αποτελούνται από Au και ένα μονοεπίπεδο ενεργό διηλεκτρικό TiO2, ή ένα διεπίπεδο ενεργό διηλεκτρικό TiOx/TiO2-x, 0<x<2. Μερικά από τα δείγματα περιέχουν εμφυτευμένα νανοσωματίδια Pt στο ενεργό διηλεκτρικό τους. Αυτές οι δομές μπορούν να μεταβάλλουν την αγωγιμότητα τους κατά πολλές τάξεις μεγέθους υπό κατάλληλες αλλαγές στην εφαρμοζόμενη τάση μεταξύ των πάνω και κάτω ηλεκτροδίων τους. Στην παρούσα εργασία, ο σχηματισμός και η διάλυση αγώγιμων νημάτων (CFs - Conductive Filaments), που εξαρτώνται από ηλεκτρικό πεδίο και θερμοκρασία και που περιέχουν κενές θέσεις οξυγόνου, θεωρούνται ο μηχανισμός οδήγησης πίσω από το φαινόμενο εναλλαγής αντίστασης. Μετρήσεις επιφανειακής ανάλυσης και ηλεκτρικού χαρακτηρισμού διεξήχθησαν επί των δειγμάτων χρησιμοποιώντας αγώγιμη μικροσκοπία ατομικής δύναμης (C-AFM - Conductive Atomic Force Microscopy), και τα αποτελέσματα συζητούνται στη διατριβή. Επιπλέον, εφαρμόζεται ένα φυσικό μοντέλο που εξηγεί με ικανοποιητικό βαθμό συνέπειας με το πείραμα τις αποκρίσεις SET/RESET (τόσο υπό DC, όσο και υπό AC εξωτερικά σήματα) και παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για την μορφολογία των CFs. Το μοντέλο αυτό βασίζεται σε υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων και ελέγχθηκε με χρήση του λογισμικού COMSOL Multiphysics. Εξισώσεις ολίσθησης-διάχυσης, συνέχειας ρεύματος και θέρμανσης Joule εξισώσεις συζεύχτηκαν, και 2D και 3D χάρτες συγκέντρωσης κενών θέσεων οξυγόνου, ηλεκτρικού δυναμικού και θερμοκρασίας λήφθηκαν.Τέλος, προτείνουμε έναν νέο αλγόριθμο κινητικής Monte Carlo που περιγράφει τη στοχαστική φύση του σχηματισμού και της διάλυσης των CFs κατά τη διάρκεια των διαδικασιών SET και RESET αντίστοιχα, σε δείγματα με ή χωρίς εμφυτευμένα νανοσωματίδια Pt. Ο αλγόριθμος αυτός λαμβάνει υπ’ όψιν την τυχαία κίνηση και ανακατανομή των ιόντων οξυγόνου και των ιοντικών οπών οξυγόνου λόγω των φαινομένων της γέννησης, της επανασύνδεσης και της μετανάστευσης, που οδηγούν σε διαφορετική τελική τιμή της αντίστασης κάτω από τις ίδιες αρχικές και συνοριακές συνθήκες. Κάθε κενή θέση οξυγόνου στο εσωτερικό του CF θεωρείται παγίδα ηλεκτρονίου και το άθροισμα όλων των ρυθμών μεταπήδησης ηλεκτρονίων από παγίδα σε ηλεκτρόδιο (που εξηγούνται με κβαντικό μοντέλο TAT - Trap Assisted Tunneling, ή φαινόμενο σήραγγας υποβοηθούμενο από παγίδες) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των τιμών του ηλεκτρικού ρεύματος. Ο αλγόριθμος KMC (Kinetic Monte Carlo) εκτελέστηκε ως κώδικας σε MATLAB.