Caracterización eléctrica de dispositivos de conmutación resistiva para su aplicación en el ámbito de memorias no volátiles y de circuitos neuromórficos

Abstract

En esta tesis doctoral se investiga el funcionamiento de dispositivos de conmutación resistiva (Resistive Switching) basados en estructuras MIM (Metal-Insulator-Metal), y cuya configuración consiste por tanto en dos electrodos metálicos separados por un material aislante o dieléctrico. Es precisamente el dieléctrico de cada una de estas estructuras el elemento preponderante en nuestro estudio a la hora de agruparlas y compararlas. El funcionamiento de una memoria de conmutación resistiva (RRAM) se basa en la propiedad de modular la resistencia eléctrica del material aislante que forma parte de ella y, por tanto, de la corriente que circula entre ambos electrodos. La capa de material dieléctrico, debido a su escaso espesor (entre 3 y 100 nm, habitualmente) puede experimentar una ruptura dieléctrica (breakdown) cuando es sometida a un estrés eléctrico, lo que genera caminos de corriente entre los electrodos para después funcionar como una memoria gracias a una reversibilidad parcial de los niveles de conductividad en su interior. De esta forma, mediante la formación y la ruptura de uno o varios filamentos conductores en el dieléctrico, se puede controlar el estado del dispositivo de manera que conmute entre dos niveles de resistencia (baja y alta, respectivamente), lo que fundamenta su aplicación en el ámbito de las memorias no volátiles. Por otra parte, puesto que el valor de la resistencia eléctrica efectiva de la estructura está ligado a la existencia de filamentos conductores en el seno del dieléctrico, también es posible conseguir un funcionamiento de naturaleza analógica efectuando un control del número y grosor de los filamentos, lo que genera la existencia de múltiples estados intermedios entre el de baja y el de alta resistencia. Esta propiedad permite emular el comportamiento de las conexiones sinápticas de las neuronas y abre la puerta a las aplicaciones en el campo de los circuitos neuromórficos, en los cuales estos dispositivos ejercen labores de sinapsis electrónicas. VII En consecuencia, nuestro estudio consiste en la caracterización eléctrica del comportamiento de los dispositivos de conmutación resistiva desde dos vertientes: digital y analógica. La perspectiva digital se basa en el control de dos estados bien diferenciados, mientras que la analógica es más compleja: la repetitividad de un quasicontinuum de estados intermedios y la existencia de procedimientos eficaces para recorrer dichos estados suponen un reto científico y tecnológico de gran magnitud. Como se irá detallando a lo largo de estas páginas, el universo de aplicaciones que se abre tras estos dispositivos abarca un amplio espectro de posibilidades. Esto los sitúa en un foco de interés que recorre un ámbito multidisciplinar desde la ciencia de materiales hasta los circuitos inspirados en estructuras biológicas, pasando por la criptografía (cuya aproximación es posible debido a la conmutación probabilística que permite realizar funciones inclonables) y el desarrollo de redes neuronales y de aplicaciones basadas en aprendizaje profundo (deep-learning). La principal aportación de este trabajo ha sido la realización de un estudio sistemático de un conjunto de dispositivos de conmutación resistiva basados en una amplia gama de materiales dieléctricos, mediante técnicas de caracterización eléctrica (donde algunas de las cuales son genuinas de nuestro grupo de investigación). El estudio de parámetros tanto de continua como de pequeña señal, el establecimiento de variables como la frecuencia y la temperatura, la utilización de técnicas de inyección de corriente y de carga, y el desarrollo de métodos para controlar con precisión el recorrido por los estados intermedios, constituyen el mayor valor científico original de esta Tesis Doctoral. Como va a quedar demostrado, la colaboración con grupos de reconocida trayectoria ha sido decisiva para acometer esta ambiciosa tarea. En esta memoria se separa el contenido principal en tres partes bien diferenciadas: estructuras MIM basadas en óxido de hafnio, estructuras MIM fabricadas con diversos óxidos funcionales, y estructuras más avanzadas con configuración 1-transistor-1-resistencia (1T1R) de óxido de hafnio y óxido de hafnio dopado con aluminio. Los dispositivos de óxido de hafnio, de una gran calidad por su excelente repetitividad, han sido fabricados en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona. El apartado de óxidos funcionales presenta algunas combinaciones de óxidos menos convencionales como material dieléctrico; las muestras de laboratorio descritas en esa sección VIII proceden de la Universidad de Tartu (Estonia) y de la Universidad de Helsinki (Finlandia). Por otra parte, el apartado de estructuras 1T1R surgió a partir de las dos estancias que desarrollé en el centro de investigación IHP de Fráncfort del Óder (Alemania). Los capítulos 4, 5 y 6 son los de mayor extensión y constituyen el verdadero núcleo de este trabajo, pues aglutinan todo el compendio de resultados de las tres partes antes mencionadas. Los capítulos previos proporcionan un contexto científico al exponer el estado del arte: los capítulos 1 y 2 abordan los fundamentos básicos de los dieléctricos de alta permitividad y de las memorias de conmutación resistiva, y el capítulo 3 hace mención a las técnicas de caracterización eléctrica de memristores, incidiendo en las que aplicamos de manera sistemática en nuestro grupo de investigación. Por último, en el capítulo 7 se exponen las principales aportaciones, así como una valoración del trabajo que he realizado durante mi travesía predoctoral.