RT info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
T1 Caracterización eléctrica de dispositivos de conmutación resistiva para su aplicación en el ámbito de memorias no volátiles y de circuitos neuromórficos
T2 Electrical characterization of resistive switching devices for their application in the field of non-volatile memories and neuromorphic circuits
A1 González Ossorio, Óscar
A2 Universidad de Valladolid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación
K1 RRAM
K1 Caracterización eléctrica
K1 Electricidad
K1 Circuitos neuromórficos
K1 22 Física
AB En esta tesis doctoral se investiga el funcionamiento de dispositivosde conmutación resistiva (Resistive Switching) basados en estructuras MIM(Metal-Insulator-Metal), y cuya configuración consiste por tanto en doselectrodos metálicos separados por un material aislante o dieléctrico. Esprecisamente el dieléctrico de cada una de estas estructuras el elementopreponderante en nuestro estudio a la hora de agruparlas y compararlas. Elfuncionamiento de una memoria de conmutación resistiva (RRAM) se basaen la propiedad de modular la resistencia eléctrica del material aislante queforma parte de ella y, por tanto, de la corriente que circula entre amboselectrodos. 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 caminosde corriente entre los electrodos para después funcionar como una memoriagracias a una reversibilidad parcial de los niveles de conductividad en suinterior. De esta forma, mediante la formación y la ruptura de uno o variosfilamentos conductores en el dieléctrico, se puede controlar el estado deldispositivo de manera que conmute entre dos niveles de resistencia (baja y alta,respectivamente), lo que fundamenta su aplicación en el ámbito de las memoriasno volátiles.Por otra parte, puesto que el valor de la resistencia eléctrica efectiva dela estructura está ligado a la existencia de filamentos conductores en el senodel dieléctrico, también es posible conseguir un funcionamiento de naturalezaanalógica efectuando un control del número y grosor de los filamentos, lo quegenera la existencia de múltiples estados intermedios entre el de baja y el de altaresistencia. Esta propiedad permite emular el comportamiento de las conexionessinápticas de las neuronas y abre la puerta a las aplicaciones en el campo delos circuitos neuromórficos, en los cuales estos dispositivos ejercen labores desinapsis electrónicas.VIIEn consecuencia, nuestro estudio consiste en la caracterización eléctricadel comportamiento de los dispositivos de conmutación resistiva desde dosvertientes: digital y analógica. La perspectiva digital se basa en el control dedos estados bien diferenciados, mientras que la analógica es más compleja: larepetitividad de un quasicontinuum de estados intermedios y la existencia deprocedimientos eficaces para recorrer dichos estados suponen un reto científicoy tecnológico de gran magnitud. Como se irá detallando a lo largo de estaspáginas, el universo de aplicaciones que se abre tras estos dispositivos abarcaun amplio espectro de posibilidades. Esto los sitúa en un foco de interésque recorre un ámbito multidisciplinar desde la ciencia de materiales hastalos circuitos inspirados en estructuras biológicas, pasando por la criptografía(cuya aproximación es posible debido a la conmutación probabilística quepermite realizar funciones inclonables) y el desarrollo de redes neuronales yde aplicaciones basadas en aprendizaje profundo (deep-learning).La principal aportación de este trabajo ha sido la realización de unestudio sistemático de un conjunto de dispositivos de conmutación resistivabasados en una amplia gama de materiales dieléctricos, mediante técnicasde caracterización eléctrica (donde algunas de las cuales son genuinas denuestro grupo de investigación). El estudio de parámetros tanto de continuacomo de pequeña señal, el establecimiento de variables como la frecuenciay la temperatura, la utilización de técnicas de inyección de corriente y decarga, y el desarrollo de métodos para controlar con precisión el recorridopor los estados intermedios, constituyen el mayor valor científico originalde esta Tesis Doctoral. Como va a quedar demostrado, la colaboracióncon grupos de reconocida trayectoria ha sido decisiva para acometer estaambiciosa tarea. En esta memoria se separa el contenido principal en trespartes bien diferenciadas: estructuras MIM basadas en óxido de hafnio,estructuras MIM fabricadas con diversos óxidos funcionales, y estructurasmás avanzadas con configuración 1-transistor-1-resistencia (1T1R) de óxido dehafnio y óxido de hafnio dopado con aluminio. Los dispositivos de óxido dehafnio, de una gran calidad por su excelente repetitividad, han sido fabricadosen el Instituto de Microelectrónica de Barcelona. El apartado de óxidosfuncionales presenta algunas combinaciones de óxidos menos convencionalescomo material dieléctrico; las muestras de laboratorio descritas en esa secciónVIIIproceden 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 lasdos estancias que desarrollé en el centro de investigación IHP de Fráncfort delÓder (Alemania).Los capítulos 4, 5 y 6 son los de mayor extensión y constituyen el verdaderonúcleo de este trabajo, pues aglutinan todo el compendio de resultados delas tres partes antes mencionadas. Los capítulos previos proporcionan uncontexto científico al exponer el estado del arte: los capítulos 1 y 2 abordan losfundamentos básicos de los dieléctricos de alta permitividad y de las memoriasde conmutación resistiva, y el capítulo 3 hace mención a las técnicas decaracterización eléctrica de memristores, incidiendo en las que aplicamos demanera sistemática en nuestro grupo de investigación. Por último, en el capítulo7 se exponen las principales aportaciones, así como una valoración del trabajoque he realizado durante mi travesía predoctoral.
YR 2021
FD 2021
LK https://uvadoc.uva.es/handle/10324/50929
UL https://uvadoc.uva.es/handle/10324/50929
LA spa
NO Departamento de Electricidad y Electrónica
DS UVaDOC
RD 17-jul-2024