Caracterización eléctrica y modelado de memorias no volátiles basadas en óxidos

Abstract

En este trabajo se presenta un estudio sobre la conmutación de la resistencia eléctrica en dispositivos formados por estructuras metal - óxido - metal. Se estudiaron dos óxidos paradigmáticos por el tipo de mecanismo que exhiben, la manganita La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO) y el óxido simple TiO2. En la primera parte de la Tesis se analizaron los mecanismos de la conmutación resistiva en dispositivos de LPCMO cerámico a través de un enfoque teórico - experimental. A partir de la comprensión de la respuesta microscópica utilizando un modelo de migración de defectos, se interpretaron resultados experimentales novedosos con potencial uso tecnológico, como la reducción del umbral necesario para la conmutación, la optimización en el proceso de inicialización, el incremento en la durabilidad de los dispositivos y la mejora de la relación entre los valores de resistencia alta y baja. La segunda parte de la Tesis está dedicada a junturas metal - óxido - metal basadas en películas de TiO2 obtenido por técnicas de dip-coating y sputtering reactivo. En este último caso se realizó la microfabricación de dispositivos con áreas de hasta 4 x 4 um2 . Se fabricaron arreglos de junturas de Au/TiO2/Al, y se caracterizaron sus dos modos de conmutación de la resistencia (unipolar y bipolar) obteniendo durabilidades de hasta 104 ciclos de conmutación y retentividades de hasta 105 segundos. Por otra parte se reformuló el modelo de migración de vacancias de oxígeno para reproducir los resultados experimentales obtenidos en dispositivos de TiO2. Asimismo, se estudiaron junturas de Au/TiO2/Cu con diferentes procesos de inicialización, encontrando que éstos determinan el tipo de filamento responsable de la conmutación resistiva. Se estudió su respuesta en presencia de irradiación con iones de oxígeno.

In this work we present an experimental and theoretical study of the resistive switching (RS) phenomena in a complex oxide, La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO), and a simple oxide, TiO2. In the first part we studied the RS in ceramic manganite LPCMO through a theoretical - experimental approach. Microscopic profiles of oxygen vacancy concentration was revealed by the enhanced oxygen vacancy migration (VEOV) model. The understanding of the underlying mechanism allowed to produce a reduced threshold for switching, to control the initialization process, to obtain the increase of the durability by three orders of magnitude, and to attain an improved relationship between high and low resistance values. In the second part, we designed and micro-fabricated memory cell arrays.Tests were conducted using TiO2 obtained by the dip coating and reactive sputtering techniques. The devices were characterized (i) morphologically by AFM, ellipsometry, x-ray diffraction, and SEM in parallel and transversal view and (ii) electrically by the pulsed and dc measurements resulting in a durability of 104 cycles and viii a retention of 105 s. The reformulated VEOV migration model of oxygen vacancies reproduced the experimental results sufficiently in TiO2. Au/TiO2/Cu junctions were studied with different electroforming polarities, which determines the nature of the conductive filament responsible of the resistive switching. In this configuration three stable states were achieved. Based in the microfabricated devices with memory properties, we studied its response under heavy ions irradiation and we designed and built a fully functional prototype for testing in aerospace conditions.