2026-04-14T19:26:07Zhttps://uvadoc.uva.es/oai/requestoai:uvadoc.uva.es:10324/509292021-12-14T23:00:58Zcom_10324_30605com_10324_894col_10324_41
Castán Lanaspa, María Helena
Dueñas Carazo, Salvador
Universidad de Valladolid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación
González Ossorio, Óscar
2021
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.
application/pdf
https://uvadoc.uva.es/handle/10324/50929
spa
RRAM
Caracterización eléctrica
Electricidad
Circuitos neuromórficos
22 Física
Caracterización eléctrica de dispositivos de conmutación resistiva para su aplicación en el ámbito de memorias no volátiles y de circuitos neuromórficos
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Electrical characterization of resistive switching devices for their application in the field of non-volatile memories and neuromorphic circuits
TEXT
UVaDOC. Repositorio Documental de la Universidad de Valladolid
Hispana