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

Resumen

El requisito de sistemas informáticos y de almacenamiento de datos de alto rendimiento en la era del Internet de las cosas (IoT) alcanza los límites de la tecnología actual. Las memorias flash DRAM y NAND presentan importantes desventajas como la volatilidad de los datos y limitaciones de velocidad. Por otro lado, el cuello de botella de von Neumann limita el rendimiento informático al imponer una limitación física para la comunicación entre las partes del ordenador. Se han propuesto nuevas tecnologías de memoria, como ReRAM, en dispositivos alternativos que combinan alto rendimiento, bajo precio y alta densidad. _x000D_ _x000D_ Un tipo prometedor de ReRAM es una unión de túnel ferroeléctrico (FTJ), que és compuesta por una capa ultrafina de material ferroeléctrico intercalado entre dos electrodos metálicos. La dirección de la polarización (P) modula las propiedades de barrera en la interfaz con los electrodes, cambiando la conductividad de los electrones. Los estados de alta y baja resistencia (HRS y LRS, respectivamente) se pueden estabilizar en el dispositivo invirtiendo P. Por lo tanto, la información se puede escribir aplicando un pulso externo de voltaje para polarizar la muestra en una dirección particular y almacenarla en su resistencia. Sin embargo, otros efectos impulsados por el campo eléctrico también pueden causar conmutación resistiva en FTJ. Esta tesis tiene como objetivo explorar los fenómenos de variación resistiva en uniones de túneles ferroeléctricos de Hf0.5Zr0.5O2 que se pueden utilizar en el almacenamiento de datos de alta eficiencia._x000D_ _x000D_ Óxidos basados en HfO2 han sido utilizados durante décadas como elementos en ReRAM debido a su cambio de resistencia causado por reacciones redox. Sin embargo, el descubrimiento de la ferroelectricidad en el HfO2 dopado abre las puertas para utilizar la inversión de polarización como fenómeno para controlar la resistencia y, por lo tanto, para escribir información. Aquí, se utilizan capas epitaxiales de HZO con un grosor inferior a 5 nm. Análisis eléctricos y estructurales han permitido identificar la coexistencia de la inversión ferroeléctrica genuina y movimiento iónico como mecanismos para inducir cambios de resistencia en el mismo electrodo. Se encontró que la variación de resistencia causada por movimiento iónico se aprovecha de las fronteras de grano incoherentes entre las fases de grano ortorrómbica (ferroeléctrica) y monoclínica (paraeléctrica). Al diseñar la microestructura de la capa, utilizando un sustrato con un parámetro de red diferente, se optimiza la variación de resistencia por inversión ferroeléctrica y se suprime el movimiento iónico. Además, al sellar las fronteras de grano con una capa dieléctrica adicional aumentó la ventana de voltaje de escritura para la variación resistiva puramente ferroeléctrica y afectó significativamente el rendimiento del dispositivo._x000D_ _x000D_ Capas ultrafinas (2 nm) de HZO fueron crecidas en sustratos scandate para demostrar robustas propiedades memristivas. Se demuestran ciclos de potenciación/depresión reproducibles y mediciones de spike-timing-dependent plasticity (STDP). Estos resultados, combinados con la compatibilidad de las capas de HZO con la tecnología CMOS actual, la producción amigable con el medio ambiente y el buen rendimiento, muestran que las uniones de túnel ferroeléctricas de HZO son alternativas viables para su aplicación en memorias no volátiles. Además, las propiedades memristivas fundamentales de la modulación de la conducción muestran que pueden usarse en dispositivos con inspiración neuromórfica.

Fecha de lectura	26 may 2021
Idioma original	Inglés
Supervisor	Josep Fontcuberta Griño (Director/a)