Resistive Switching in Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectric tunnel junctions

Resum

El requisit de sistemes informàtics i d’emmagatzematge de dades d’alt rendiment en l’era de l’Internet de les coses (IOT) aconsegueix els límits de la tecnologia actual. Les memòries flaix DRAM i NAND presenten importants desavantatges com la volatilitat de les dades i limitacions de velocitat. D’altra banda, el coll d’ampolla de von Neumann limita el rendiment informàtic a l’imposar una limitació física per a la comunicació entre les parts de l’ordinador. S’han proposat noves tecnologies de memòria, com ReRAM, en dispositius alternatius que combinen alt rendiment, baix preu i alta densitat. Un tipus prometedor d’ReRAM és una unió de túnel ferroelèctric (FTJ), que és composta per una capa ultrafina de material ferroelèctric intercalat entre dos elèctrodes metàl·lics. La direcció de la polarització (P) modula les propietats de barrera a la interfície amb els electrodes, canviant la conductivitat dels electrons. Els estats d’alta i baixa resistència (HRS i LRS, respectivament) es poden estabilitzar en el dispositiu invertint P. Per tant, la informació es pot escriure aplicant un pols extern de voltatge per polaritzar la mostra en una direcció particular i emmagatzemar-la en la seva resistència. No obstant això, altres efectes impulsats pel camp elèctric també poden causar commutació resistiva en FTJ. Aquesta tesi té com a objectiu explorar els fenòmens de variació resistiva en unions de túnels ferroeléctricos de Hf0.5Zr0.5O2 que es poden utilitzar en l’emmagatzematge de dades d’alta eficiència. Òxids basats en HfO2 han estat utilitzats durant dècades com a elements en ReRAM causa de la seva canvi de resistència causat per reaccions redox. No obstant això, el descobriment de la ferroelectricidad al HfO2 dopat obre les portes per utilitzar la inversió de polarització com a fenomen per controlar la resistència i, per tant, per escriure informació. Aquí, s’utilitzen capes epitaxials d’HZO amb un gruix inferior a 5 nm. Anàlisi elèctrics i estructurals han permès identificar la coexistència de la inversió ferroelèctrica genuïna i moviment iònic com a mecanismes per induir canvis de resistència en el mateix elèctrode. Es va trobar que la variació de resistència causada per moviment iònic s’aprofita de les fronteres de gra incoherents entre les fases de gra ortorrómbica (ferroelèctrica) i monoclínica (paraeléctrica). A l’dissenyar la microestructura de la capa, utilitzant un substrat amb un paràmetre de xarxa diferent, s’optimitza la variació de resistència per inversió ferroelèctrica i se suprimeix el moviment iònic. A més, a l’segellar les fronteres de gra amb una capa dielèctrica addicional augmentar la finestra de voltatge d’escriptura per a la variació resistiva purament ferroelèctrica i va afectar significativament el rendiment de l’aparell. Capes ultrafines (2 nm) de HZO van ser crescudes en substrats scandate per demostrar robustes propietats memristivas. Es demostren cicles de potenciació / depressió reproduïbles i mesuraments de spike-timing-dependent plasticity (STDP). Aquests resultats, combinats amb la compatibilitat de les capes de HZO amb la tecnologia CMOS actual, la producció amigable amb el medi ambient i el bon rendiment, mostren que les unions de túnel ferroelèctriques de HZO són alternatives viables per a la seva aplicació en memòries no volàtils. A més, les propietats memristivas fonamentals de la modulació de la conducció mostren que poden usar-se en dispositius amb inspiració neuromòrfica.

Data del Ajut	26 de maig 2021
Idioma original	Anglès
Supervisor	Josep Fontcuberta Griño (Director/a)