Crecimiento por ablación láser de films delgados de óxidos con propiedades de memoria resistiva
2019
| Tesista | Wilson Stibens ROMAN ACEVEDO Ingeniero Físico - Universidad Tecnologica de Pereira - Colombia Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Director | Dr. Diego RUBI. CNEA, UNSAM, CONICET- Argentina |
| Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 27/03/2019 |
| Jurado | Dr. Pablo FIERENS. ITBA, CONICET- Argentina Dr. Mariano QUINTERO. CNEA. UNSAM, CONICET - Argentina Dr. Martín SIRENA. CNEA, UNCuyo, CONICET - Argentina |
| Código | IS/TD 124/19 |
Título completo
Crecimiento por ablación láser de films delgados de óxidos con propiedades de memoria resistiva
Resumen
El rápido desarrollo de la tecnología de memorias electrónicas acompaña la evolución continua de la tecnología informática y otros dispositivos electrónicos de consumo, como reproductoras de audio digital, cámaras digitales y teléfonos móviles. En la actualidad, dos tipos de memoria dominan el mercado: la memoria dirigida eléctricamente y la memoria dirigida mecánicamente. El primero caso incluye típicamente las memorias dinámicas de acceso aleatorio (DRAM) y las memorias FLASH. La memoria direccionada mecánicamente se refiere principalmente a la memoria de almacenamiento magnético, típicamente los discos duros, que tiene una capacidad de almacenamiento mucho más alta y un precio más bajo que la DRAM y la memoria flash, pero presentan bajas velocidades de escritura y lectura.
Las memorias DRAM están compuestas básicamente por un transistor y un condensador que almacenan carga. Si bien presentan excelentes prestaciones en cuanto a durabilidad (~1016 ciclos de escritura), velocidad de lectura/escritura (<10ns) o consumo de energía (10-15 J/bit), poseen la desventaja de que son volátiles, es decir, la información que almacenan se pierde si se suspende su alimentación eléctrica. Por otra parte, las memorias FLASH son no volátiles –poseen tiempos de retención de alrededor de 10 años- pero presentan como desventaja su baja velocidad de escritura (1ms-10ms), alto consumo de energía (10-10 J/bit) y durabilidad limitada (~105 ciclos de escritura). En base a lo descripto, el mercado de memorias electrónicas requiere una nueva tecnología de memorias no volátiles que combinen las ventajas de las DRAM y las FLASH, sin presentar sus desventajas.
Muchas empresas e institutos de investigación están involucrados en el desarrollo de nuevas tecnologías de memorias, como la RAM magnética (MRAM), la RAM Ferroeléctrica (FeRAM), memorias de cambio de fase (PCM) y la RAM Resistiva (RRAM). Se espera que la tecnología que prevalezca pueda reemplazar a las memorias de semiconductores existentes; para esto, es necesario que sean compatibles con la tecnología CMOS estándar.
Una celda RRAM –también llamado memresistor- consiste básicamente en una estructura metal / aislante / metal (MIM). El principio de la tecnología RRAM es la conmutación de los estados de resistencia –llamado usualmente conmutación resistiva o resistive switching- de la capa aislante aplicando un estímulo eléctrico adecuado. De esta forma, es posible obtener estados de “baja resistencia” (RLOW o ON) y estados de alta resistencia (RHIGH o OFF) no volátiles, correspondientes a estados "1" y "0" lógicos. Los materiales dieléctricos que presentan este efecto comprenden una gran variedad de óxidos de metales de transición binarios y complejos, incluyendo óxidos de tipo perovskita. Los primeros reportes de efectos de conmutación resistiva datan de la década del 60’, pero fue en la primera década de este siglo cuando se disparó un notable interés en este efecto, tanto a nivel de ciencia básica como de desarrollo de dispositivos, motivado por el interés tecnológico ya descripto. Sin embargo, a la fecha no están completamente comprendidos y controlados a la nanoescala los mecanismos que originan la conmutación resistiva, lo que constituye un cuello de botella para la implementación masiva de esta tecnología.
Por otra parte, algunas características del comportamiento eléctrico de los memresistores emulan el de las sinapsis neuronales, por lo que en los últimos años se ha disparado el interés para usar este tipo de dispositivos en el desarrollo de circuitos neuromórficos, que emulen la enorme capacidad de cálculo con baja energía de los sistemas biológicos, capaces de realizar tareas complejas como el reconocimiento de imágenes de manera extremadamente eficiente.
Este trabajo de Tesis contribuye con el estudio de los mecanismos memresistivos existentes en sistemas basados en films delgados de distintas manganitas, tanto a partir de mediciones macroscópicas como en la nanoescala
Se estudiaron dispositivos de memoria resistiva basados en las manganitas La1/3Ca2/3MnO3, La1/2Sr1/2Mn1/2Co1/2O3, y TbMnO3 en forma de películas delgadas depositadas sobre sustratos de n-Si, Si/Pt y Nb:SrTiO3. Los depósitos de los óxidos se realizaron mediante la técnica de ablación por láser pulsado.
Complete Title
Growth by laser ablation of thin films of oxides with properties of resistive memory
Abstract
The rapid development of electronic memory technology accompanies the continuous evolution of computer technology and other consumer electronic devices, such as digital audio players, digital cameras and mobile phones. Currently, two types of memory dominate the market: electrically directed memory and mechanically directed memory. The first case typically includes dynamic random access memories (DRAM) and FLASH memories. Mechanically addressed memory refers mainly to magnetic storage memory, typically hard disks, which has a much higher storage capacity and a lower price than DRAM and flash memory, but have low write and read speeds.
The DRAM memories are basically composed of a transistor and a capacitor that store charge. While they have excellent performance in terms of durability (~1016 writing cycles), read / write speed (<10ns) or power consumption (10-15 J / bit), they have the disadvantage that they are volatile, that is, the information they store is lost if their power supply is suspended. On the other hand, FLASH memories are non-volatile - they have retention times of around 10 years - but their disadvantage is their low writing speed (1ms-10ms), high power consumption (10-10 J / bit) and limited durability (~105 writing cycles). Based on what has been described, the electronic memory market requires a new non-volatile memory technology that combines the advantages of DRAM and FLASH, without presenting its disadvantages.
Many companies and research institutes are involved in the development of new memory technologies, such as magnetic RAM (MRAM), Ferroelectric RAM (FeRAM), phase change memories (PCM) and Resistive RAM (RRAM). It is expected that the prevailing technology could replace existing semiconductor memories; for this, they need to be compatible with standard CMOS technology.
The RRAM cell - also called memresistor - basically consists of a metal / insulator / metal (MIM) structure. The principle of the RRAM technology is the switching of the resistance states -called usually resistive switching (RS) - of the insulating layer applying an adequate electrical stimulus. In this way, it is possible to obtain "low resistance" states (RLOW or ON) and non-volatile high resistance states (RHIGH or OFF), corresponding to logical "1" and "0" states. The dielectric materials that exhibit this effect comprise a large variety of binary and complex transition metal oxides, including perovskite-type oxides. The first reports of resistive switching effects date from the ’60s, but it was in the first decade of this century that there was a notable interest in this effect, both at the level of basic science and device development, motivated by the technological interest already described. However, to date, the mechanisms that cause resistive switching are not completely understood and controlled at the nanoscale, which constitutes a bottleneck for the massive implementation of this technology.
On the other hand, some characteristics of the electrical behavior of the memresistors emulate the neuronal synapses, so in recent years the interest to use this type of devices in the development of neuromorphic circuits, which emulate the enormous capacity of Low energy calculation of biological systems, capable of performing complex tasks such as image recognition extremely efficiently.
This thesis work contributes to the study of existing memresistive mechanisms in systems based on thin films of different manganites, both from macroscopic and nanoscale measurements.
We studied resistive memory devices based on the manganites La1/3Ca2/3MnO3, La1/2Sr1/2Mn1/2Co1/2O3, and TbMnO3 in the form of thin films deposited on n-Si, Si / Pt and Nb: SrTiO3 substrates. The deposits of the oxides were made by the technique of pulsed laser ablation.
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