Conmutación resistiva en óxidos funcionales: hacia nuevas memorias RRAM Diego Rubi

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Martín Ponce Vázquez
hace 5 años
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1 Conmutación resistiva en óxidos funcionales: hacia nuevas memorias RRAM Diego Rubi Grupo de Materia Condensada, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional de Energía Atómica

2 Conmutación resistiva o resistive switching: cambio reversible y no volátil de la resistencia de una estructura Metal-Aislante-Metal ante la aplicación de un campo eléctrico Interés tecnológico: desarrollo de memorias RRAM (Resistive Random Access Memories) Velocidades de conmutación del orden de los nanosegundos (>>velocidad que memorias flash) Alta constante dieléctrica miniaturización y bajo consumo

3 Investigación básica comenzó hace 40 años. El resistive switching aparece como un fenómeno ubicuo óxidos binarios: TiO 2, HfO 2, SnO 2, CuO, NiO, ZnO óxidos ternarios: SrTiO 3, SrZnO 3 óxidos complejos: YBCO, manganitas

4 El RS puede ser unipolar o bipolar Unipolar, Pt/NiO/Pt Bipolar, Ti/La 2 CuO 0 /La 1.65 Sr 0.35 CuO 4

Localización geométrica de la zona activa clasificación a primer orden del RS: Creación/ruptura de filamentos conductores confinados localmente Efecto de interfase

5 Localización geométrica de la zona activa clasificación a primer orden del RS: Creación/ruptura de filamentos conductores confinados localmente Efecto de interfase distribuido homogéneamente sobre toda la superficie del electrodo metálico en la estructura metal/aislante/metal. Las vacantes de oxígeno juegan un papel fundamental

6 Resistencia (Ohms) Estímulo (V) Material de interés: BiFeO 3 Multiferroico (ferroeléctrico y antiferromagnético) a temperatura ambiente multifuncionalidad Resultados preliminares en muestras cerámicas de Bi 0.9 Ca 0.1 FeO 3 y Bi 0.9 Ba 0.1 FeO 3 indican la existencia de RS 9,00E ,00E ,00E ,00E ,00E ,00E Tiempo (seg)

Proyecto a corto plazo: crecimiento de películas delgadas Esta es la forma elegida para aplicaciones Posibilidad de crecer fases metaestables (estabilización epitaxial), difíciles o imposibles de

7 Proyecto a corto plazo: crecimiento de películas delgadas Esta es la forma elegida para aplicaciones Posibilidad de crecer fases metaestables (estabilización epitaxial), difíciles o imposibles de obtener en bulk y monocristales Posibilidad de sintonizar las propiedades de los materiales (efectos de tensiones, efectos de tamaño finito) Combinar diferentes materiales en multicapas o composites, con funcionalidades mejoradas Film film Substrate substrate lattice mismatch strain

8 Crecimiento de películas delgadas: Pulsed Laser Deposition (PLD) Sistema en etapa de compra en CAC-CNEA Sistema funcionando en FI-UBA

Counts Metodología: Crecimiento de films Determinación de parámetros óptimos de crecimiento (temperatura del substrato, presión parcial de oxígeno, frecuencia del láser, distancia blanco-substrato )

9 Counts Metodología: Crecimiento de films Determinación de parámetros óptimos de crecimiento (temperatura del substrato, presión parcial de oxígeno, frecuencia del láser, distancia blanco-substrato ) Caracterización por XRD. Fases parásitas?. Crecimiento epitaxial? Determinación del modo de crecimiento (capa por capa, islas ) microscopía de fuerza atómica (AFM) AL2787B (º)

10 Intensity (arb. units) Intensity (arb. units) Intensity (arb. units) (111) (222) * * Metodología: Caracterización estructural de los films Rocking curves Phi-scans Mapas de espacio (a) recíproco (RSM) ( ) (110) STO (c) FWHM ( ) 0.48 (b) (d) (a) (112) STO (400) SRO K perp /K (112) SRO ( ) K par /K 0 Difractómetro 4-círculos Panalytical en etapa de adquisición (D. Vega)

11 M (emu/gr) Metodología: Caracterización magnética 0,8 0,6 BBFO#1 Magnetómetro Versalab QD (CAC-CNEA) Magnetómetro SQUID QD (Red Nacional Magnetismo) 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0, H (T) Cerámico de Bi 0.9 Ba 0.1 FeO 3

Metodología: Caracterización eléctrica Depósito electrodos metálicos (sputtering, evaporación, litografía) Keithley 2400 Keithley 4200 Micro Probe-Station Osciloscopios, fuentes de tensión/voltaje,

12 Metodología: Caracterización eléctrica Depósito electrodos metálicos (sputtering, evaporación, litografía) Keithley 2400 Keithley 4200 Micro Probe-Station Osciloscopios, fuentes de tensión/voltaje, etc. PCs para control remoto (GPIB) Determinación del proceso óptimo de forming Mediciones de RS en diferentes escalas de tiempos, analizando transitorios durante la aplicación del pulso. Estudio de la influencia de diferentes parámetros eléctricos: duración, amplitud, polaridad y secuencia de los pulsos. Dependencia del RS con el tipo de electrodo metálico Estudio de la dependencia del RS con el área de los contactos (filamentos o interfase)

13 Resistencia (Ohms) Estímulo (V) Resistencia (Ohms) Estímulo (V) Metodología: Caracterización eléctrica Resultados preliminares en cerámicos de Bi 0.9 Ca 0.1 FeO ,00x ,00x ,80x ,80x ,60x ,60x ,40x10 8 Pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat Tiempo (seg) ,40x Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat Tiempo (seg) Efectos de acumulación de pulsos

14 Resistencia (Ohms) Estímulo (V) Resistencia (Ohms) Estímulo (V) Metodología: Caracterización eléctrica Resultados preliminares en cerámicos de Bi 0.9 Ca 0.1 FeO ,00x seg entre tren y tren 0 2,00x ,80x ,80x ,60x ,60x ,40x Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat Tiempo (seg) 1,40x min entre tren y tren -600 Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat Tiempo (horas) Efectos de relajación del RS Relacionado con el bajo campo eléctrico alcanzable en cerámicos En capas delgadas, se espera un RS mucho más robusto

15 Resumen Proyecto propuesto: Crecimiento de capas delgadas por PLD de BiFeO 3 y óxidos relacionados Caracterización morfológica (AFM) y estructural (XRD) Medición de propiedades magnéticas Medición de propiedades eléctricas: efectos de conmutación resistiva. Estudio del mecanismo de RS para distintos óxidos, electrodos y geometrías. Determinación del efecto de diferentes protocolos eléctricos de medición Otro proyecto en la temática: RS en TiO 2 y manganitas desde un approach más tecnológico (Pablo Stoliar)

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