guest ::
Physics-based compact modeling of valence-change-based resistive switching devices
2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-07-25
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-07614
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/765751/files/765751.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bipolar switching (frei) ; compact model (frei) ; complementary switching (frei) ; nonvolatile memory (frei) ; oxide (frei) ; oxygen exchange (frei) ; redox-based resistive switching memories (ReRAM) (frei) ; resistive random access memory (RRAM) (frei) ; simulation model (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Der Bedarf an energieeffizienten, schnellen und kleinen Datenspeichern steigt im heutigen Informationszeitalter stetig an. Auf Redoxreaktionen basierende, resistiv schaltende Speicherzellen (ReRAM), die auf dem Valenzwechselmechanismus (VCM) beruhen, sind eine vielversprechende Technologie und werden als Kandidaten für zukünftige hochintegrierte Speicher- und Logikanwendungen gehandelt. Ebenso wird ihr Einsatz in neuronalen Netzen und neuromorphen Systemen diskutiert. Resistive Speicherzellen sind zweipolige, nichtflüchtige Bauelemente, deren physikalisches Speicherprinzip auf einer Änderung des elektrischen Widerstands basiert. Dabei wird der Widerstand der Speicherzelle durch Anlegen von geeigneten Spannungen reversibel zwischen mindestens zwei Zuständen geschaltet. VCM-Speicherzellen bestehen aus einer Oxidschicht, in der sowohl Elektronen als auch Ionen beweglich sind und zur Leitfähigkeit beitragen. Das Oxid wird durch zwei Elektroden kontaktiert, die typischerweise metallisch sind und unterschiedliche Austrittsarbeiten und Sauerstoffaffinitäten aufweisen. Bipolares Schalten wird durch die Bewegung von ionischen Defekten ausgelöst, die als Donatoren wirken. In der Regel handelt es sich dabei um Sauerstoffleerstellen. Die Bewegung führt - namensgebend für den VCM-Mechanismus - zu einem Valenzwechsel der Metallkationen. Damit das Design von Schaltungen für Speicher-, Logik- und neuromorphe Anwendungen gelingt, werden Schaltungssimulationen benötigt, die akkurate Kompaktmodelle mit Prognosefähigkeit verwenden. Der große Vorteil von physikalisch-basierten Kompaktmodellen liegt in ihrer Fähigkeit, Änderungen des Schaltverhaltens bei Modifikation der Ansteuerung oder der Initialbedingungen richtig vorherzusagen. In diesen Modellen werden die Gleichungen und Parameter nicht frei gewählt, sondern nur physikalisch begründete Parameter und Funktionen verwendet. Die Entwicklung von Kompaktmodellen erfolgt mithilfe von Erkenntnissen, die aus detaillierteren und ortsaufgelösten Modellen gewonnen werden. Trotz intensiver Forschung konnten noch nicht alle limitierenden physikalischen Prozesse, die beim resistiven Schalten eine Rolle spielen, hinreichend geklärt werden. In dieser Arbeit wird die Entwicklung von drei physikalisch-basierten Kompaktmodellen beschrieben, die sich in der Anzahl der berücksichtigten physikalischen Prozesse und damit in ihrem Detailgrad unterscheiden. Ziel dabei ist die Untersuchung von verschiedenen Schalteffekten, die in filamentär schaltenden VCM-Speicherzellen auftreten. Alle Simulationen wurden mit MATLAB durchgeführt. Kompaktmodell 1.0 beschreibt die durch das angelegte elektrische Feld gesteuerte Bewegung von Sauerstoffleerstellen in einem Filament. Dies führt zu einer Änderung der Leitfähigkeit und damit des Widerstands, da die Schottky-Barriere am Metall/Oxid-Übergang und die Donatordichte im Oxid moduliert werden. Im nächsten Schritt werden in Kompaktmodell 1.5 die Diffusion von Sauerstoffleerstellen sowie die Modulation des zweiten Metall/Oxid-Übergangs ergänzt. Letzteres ermöglicht die Beschreibung von komplementärem Schalten zusätzlich zum standardmäßigen bipolaren Schalten. In Kompaktmodell 2.0 wird der Austausch von Sauerstoff an den Metall/Oxid-Übergängen hinzugefügt. Durch diese beträchtliche Erweiterung können sowohl der Initialisierungsprozess als auch verschiedene Lebensdaueranalysen sowie eine zweite bipolare Schaltart beschrieben werden. Um eine korrekte Interpretation der Ergebnisse zu ermöglichen, werden jeweils die Modellannahmen und die Grenzen der Modelle hervorgehoben. Parameterstudien helfen dabei, den Einfluss von Materialparametern, Spannungsansteuerung und Strombegrenzung auf das Schaltverhalten aufzuzeigen. Das so gewonnene Verständnis kann bei der Wahl der Materialien und dem Design der Ansteuerschaltung eingesetzt werden, um gewünschte Schalteffekte zu erzeugen bzw. unerwünschte zu vermeiden.The demand for energy-efficient, fast, and small electronic memories is steadily rising in today's information technology. Redox-based resistive switching memories (ReRAM) based on the valence change mechanism (VCM) are a promising candidate for high-density data storage, neuromorphic computing, and logic-in-memory computing applications. Resistive switching memories are two-terminal devices whose physical storage principle relies on the change of the electrical resistance. The nonvolatile resistance state can be switched reversibly between at least two different levels by applying appropriate voltage signals. VCM-type memory cells are composed of a mixed ionic--electronic conducting oxide that is sandwiched between two electrodes. Typically, the two electrodes consist of metals with different work functions and oxygen affinities. Bipolar resistive switching is induced by the migration of ionic defects (oxygen vacancies) and a concurrent valence change of the cation sublattice. To enable future design of memory, logic, and neuromorphic computing applications, circuit simulations based on precise and predictive compact models are crucial. Physics-based compact models do not use fitting parameters, but stick to material and geometrical parameters. Their great advantage lies in the power to predict the switching behavior upon changes in the input voltage amplitude and initial values. Compact models are developed based on the knowledge gained from more detailed, space-resolved models. Despite intensive research, open questions still remain, in particular, regarding the limiting physical mechanisms that are involved in resistive switching. In this thesis, three physics-based compact models with different levels of detail are developed to study various switching effects in filamentary VCM-type ReRAM devices. All simulations are performed using MATLAB. Compact model~1.0 describes bipolar switching based on the drift of oxygen vacancies along a filament. The vacancies act as donors causing a change in conductivity, and thereby resistance, by modulating the Schottky barrier at the metal/oxide interface and the donor concentration in the adjacent oxide region. In compact model~1.5, the ion migration process is extended to include diffusion. Moreover, the modulation of both metal/oxide junctions is considered, allowing the model to cover complementary switching. In compact model~2.0, oxygen exchange at the metal/oxide interfaces is added enabling the simulation of the initial forming step as well as different endurance and retention behaviors. In addition to standard bipolar and complementary switching, a second bipolar switching mode is also covered. For the three models, the used assumptions and the model limits are emphasized to allow a correct interpretation of the simulation results. Various parameter studies are performed to identify the influence of material parameters, voltage excitation, and current compliance on the switching. This understanding will help to control the occurrence/suppression of intended/unintended effects by material choice or external excitation design.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020172446
Interne Identnummern
RWTH-2019-07614
Datensatz-ID: 765751
Beteiligte Länder
Germany
|
The record appears in these collections: |