Ultra-fast characterization of memristors for neuromorphic applications

Munir, Faisal; Waser, Rainer; Heberling, Dirk

doi:45868

Ultra-fast characterization of memristors for neuromorphic applications

Munir, Faisal^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Faisal Munir, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Heberling, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-09153
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1042140/files/1042140.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Materials for Advanced Electronics und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PCM (frei) ; RF characterization (frei) ; ReRAM (frei) ; VCM (frei) ; gradual and linear switching (frei) ; neuromorphic applications (frei) ; ultra-fast pulses (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Über mehrere Jahrzehnte hinweg hat die kontinuierliche Skalierung von Halbleiterbauelementen zu erheblichen Leistungssteigerungen in der Informationstechnik geführt. Mit der Annäherung an physikalische Skalierungsgrenzen sowie dem rasanten Wachstum datenintensiver Anwendungen stoßen konventionelle Rechenarchitekturen zunehmend an ihre Grenzen. Dies gilt insbesondere für die von Neumann-Architektur, bei der Speicher- und Recheneinheiten physisch voneinander getrennt sind. Diese Trennung induziert einen kontinuierlichen Datentransfer zwischen Rechen- und Speichereinheit und somit einen erhöhten Energieverbrauch sowie zusätzliche Latenzen [1, 2]. Diese Limitation hat das Interesse an alternativen Speichertechnologien und neuromorphen Rechenkonzepten deutlich verstärkt [3]. Unter den alternativen Speichertechnologien haben sich memristive Bauelemente, insbesondere Resistive Random-Access Memory (RRAM) basierend auf dem Valenzwechselmechanismus (VCM) in Übergangsmetalloxiden wie TaOx, als vielversprechende Kandidaten herausgestellt. Diese Bauelemente zeichnen sich durch hohe Skalierbarkeit, geringen Energieverbrauch, schnelle Schreibgeschwindigkeiten sowie die Möglichkeit einer graduellen analogen Leitwertmodulation aus [4–7]. Neben oxidbasierten RRAM-Systemen stellt auch Phase-Change Memory (PCM) eine technologisch relevante Alternative dar, die ebenfalls schnelle Schaltprozesse und analoge Funktionalität ermöglicht [8, 9]. Für synaptische Anwendungen in neuromorphen Systemen sind insbesondere graduelle und möglichst lineare Änderungen des elektrischen Leitwerts erforderlich, um biologische Lernprozesse nachbilden zu können. Trotz dieser vielversprechenden Eigenschaften sind die Schaltmechanismen beider Bauelementtypen im Subnanosekundenbereich bislang nur unzureichend verstanden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem vertieften Verständnis ultraschneller Schaltdynamiken in verschiedenen memristiven Materialsystemen bei und zeigen deren Potenzial für neuromorphe Anwendungen im Subnanosekundenbereich. Hierzu werden hochfrequente Messaufbauten entwickelt, die das Erzeugen ultra-kurzer Spannungspulse sowie die zeitaufgelöste Erfassung der transienten Bauelementantwort ermöglichen. Ein zuvor entwickelter Radiofrequenz-(RF)-Messaufbau erlaubt die Untersuchung von TaOx-basierten VCM-Bauelementen, zeigt jedoch Einschränkungen bei hohen Widerstandswerten. Durch Erweiterung des Messaufbaus können auch PCM-Bauelemente untersucht werden. Die Untersuchung der TaOx-Bauelemente wird unter zwei unterschiedlichen Betriebsbedingungen durchgeführt. Zunächst wird das Schaltverhalten mithilfe ultra-kurzer SET-Pulse untersucht, wobei lange Interpulsabstände von einer Sekunde verwendet werden, um eine vollständige thermische Relaxation zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen sicherzustellen. Unter diesen Bedingungen führen wiederholte Pulse mit einer Dauer von unter 100 ps zu einem Übergang von abruptem zu graduellem und linearem Schaltverhalten. Sowohl die Pulsbreite als auch die Pulsamplitude beeinflussen diesen Übergang deutlich. Bei Verwendung von 50 ps-Pulsen bei 1,77 V bleiben mehr als 100 aufeinanderfolgende Pulse im linearen Bereich (R² = 99,5%). Jedoch wird dabei die inhärente Variabilität der filamentären Bauelemente deutlich. Darüber hinaus wird die Rolle des anfänglichen niedrigleitenden Zustands (LCS) analysiert. Frühere Studien haben gezeigt, dass niedrigere anfängliche LCS-Werte typischerweise zu einem abrupten Schaltverhalten führen [7, 10]. Im Gegensatz dazu reduziert der Betrieb im ultra-kurzen Pulsregime diesen Effekt und ermöglicht eine lineare Modulation der Leitfähigkeit selbst bei einem niedrigen anfänglichen LCS. In einer zweiten Phase der VCM-Untersuchung wird der Interpulsabstand in den Sub-Nanosekundenbereich reduziert, um den Einfluss der thermischen Relaxation auf die Schaltdynamik zu untersuchen. Wird eine kurze Pulsfolge mit Sub-Nanosekunden-Abständen angelegt, akkumuliert die Restwärme vorheriger Pulse, wodurch die Dynamik des Schaltvorgangs moduliert wird. Obwohl theoretische Studien solche thermischen Akkumulationseffekte bereits vorhergesagt haben, ist deren experimentelle Bestätigung auf diesen Zeitskalen schwierig. Bei Interpulsabständen im Sub-Nanosekundenbereich ist ein konventionelles DC-Auslesen zwischen den Pulsen aufgrund der unzureichenden Zeit nicht möglich. Außerdem ist die Bestimmung der Leitfähigkeit des Bauelements aus der transienten elektrischen Antwort schwierig, da kapazitive Lade- und Entladevorgänge das gemessene Signal dominieren und die tatsächliche resistive Antwort überdecken. Um diese Einschränkung zu überwinden, werden spezielle Auswertungsmethoden entwickelt, mit denen die Leitfähigkeit des Bauelements aus der transienten HF-Antwort für Pulsbreiten und Interpulsabstände bis hinunter zu 50 ps extrahiert werden kann. Mithilfe dieser Methoden wird beobachtet, dass eine Verringerung des Interpulsabstands unter etwa 250 ps zu steileren Leitfähigkeitsübergängen führt. Dieses Verhalten wird auf thermische Akkumulation zurückgeführt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur als zweite interne Zustandsvariable wirkt, was zu einem Memristorverhalten zweiter Ordnung führt und kurzzeitige synaptische Plastizität wie paired-pulse facilitation und post-tetanic potentiation ermöglicht. Anschließend wird das verbesserte RF-Messsystem verwendet, um das Schaltverhalten von PCM-Bauelementen im Sub-Nanosekundenbereich zu untersuchen. Die SET- und RESET-Schaltkinetik von SnTe-dotiertem In₃SbTe₂ (SIST) wird über einen weiten Bereich von Pulsamplituden und Pulsdauern untersucht, wodurch eine Unterscheidung zwischen nukleationsdominierten und wachstumsdominierten Kristallisationsregimen ermöglicht wird. Bei niedrigeren Spannungen wird ein stochastisches Verhalten beobachtet, das charakteristisch für Nukleationsprozesse ist, während höhere Spannungen zu einem reproduzierbareren, wachstumsdominierten Schaltverhalten führen. Diese experimentelle Unterscheidung adressiert eine langjährige Herausforderung in der PCM-Forschung. Darüber hinaus wird RESET-Schalten in den hochohmigen amorphen Zustand für Pulsbreiten unter 100 ps mit einem Roff/Ron-Verhältnis von über eintausend demonstriert. Diese Schaltzeiten liegen unter dem zuvor berichteten RESET-Zeitrekord von etwa 200 ps [8] und liefern neue Einblicke in die Melt-Quench-Dynamik auf diesen Zeitskalen. Die Ergebnisse dieser Studie liefern ein umfassendes Verständnis der ultraschnellen Schaltdynamik in verschiedenen memristiven Materialsystemen und verdeutlichen deren Potenzial für neuromorphe Funktionalität im Sub-Nanosekundenbereich.

Over several decades, the continuous scaling of semiconductor devices has led to significant performance improvements in information technology. As device scaling approaches its physical limits and the importance of data-intensive applications continues to grow, conventional computing architectures are increasingly reaching their performance limits. This is particularly true for the von Neumann architecture, in which memory and processing units are physically separated. This separation induces continuous data transfer between the processing and memory units, resulting in increased energy consumption and additional latency [1, 2]. These limitations have significantly increased interest in alternative memory technologies and neuromorphic computing systems [3]. Among these alternative memory technologies, memristive devices, particularly resistive random-access memory (RRAM) based on the valence change mechanism (VCM) in transition metal oxides such as TaOx, have emerged as promising candidates. These devices offer high scalability, low energy consumption, fast writing speed, and the ability to support gradual analog conductance modulation [4–7]. In addition to oxide-based RRAM devices, phase change memory (PCM) represents another technologically relevant alternative that also enables fast switching and analog functionality [8, 9]. For synaptic applications, gradual and linear conductance changes are required to emulate biological learning processes. Despite the advantages of VCM and PCM materials, the switching dynamics of these devices at sub-nanosecond (ns) timescales remain insufficiently understood, and their potential for synaptic applications in this regime remains unexplored. This dissertation addresses the ultra-fast electrical characterization of memristive devices, focusing on switching dynamics at sub-ns timescales. For this purpose, dedicated high-frequency measurement setups are developed to generate ultra-short voltage pulses and capture the transient response of the devices. An initially realized radio-frequency (RF) measurement setup allowed the investigation of TaOx-based VCM devices but showed limitations at high resistance levels. Subsequently, the RF setup is upgraded to overcome this limitation and to extend the investigation to PCM devices. The investigation of TaOx devices is conducted under two distinct operating conditions. First, the switching behavior is studied using ultra-short SET pulses, with long inter-pulse delays of one second to ensure complete thermal relaxation between consecutive pulses. Under these conditions, repeated sub-100 picosecond (ps) pulses induce a transition from abrupt to gradual and linear switching behavior. Both pulse width and pulse amplitude significantly influence this transition. Using 50 ps pulses at 1.77 V, more than 100 consecutive pulses remain within the linear regime (R² = 99.5%). Although variability is inherent to filamentary devices, the role of the initial low conductive state (LCS) is analyzed. Previous studies have shown that lower initial LCS values are typically associated with more abrupt switching [7, 10]. In contrast, operating in the ultra-short pulse regime mitigates this effect, enabling linear conductance modulation even when starting from a low initial LCS. In a second phase of the VCM investigation, the inter-pulse delay is reduced to the sub-ns range to study the influence of thermal relaxation on the switching dynamics. When a short pulse train is applied with sub-ns delays, residual heat from previous pulses accumulates and modifies the conductance evolution. Although theoretical studies predicted such thermal accumulation effects, experimentally verifying them at these timescales is challenging. At sub-ns inter-pulse delays, conventional DC readout between pulses is not feasible due to insufficient time. Furthermore, determining the device conductance from the transient electrical response is difficult because capacitive charging and discharging dominate the measured signal, obscuring the true resistive response. To address this limitation, dedicated analysis techniques were developed to extract the device conductance from the transient RF response for pulse widths and delays down to 50 ps. Using these evaluation methods, it was observed that reducing the delay below approximately 250 ps leads to steeper conductance transitions. This behavior is attributed to thermal accumulation. These findings demonstrate that temperature acts as a second internal state variable, giving rise to second-order memristive behavior and enabling short-term synaptic plasticity such as paired-pulse facilitation and post-tetanic potentiation. After characterizing VCM devices, the investigation extends to PCM using the upgraded RF setup, where the SET and RESET switching kinetics of SnTe-doped In₃SbTe₂ (SIST) are studied at sub-ns timescales. The SET process is systematically characterized over a wide range of pulse amplitudes and durations, allowing differentiation between nucleation-dominated and growth-dominated crystallization regimes. At lower voltages, stochastic behavior characteristic of nucleation processes is observed, whereas higher voltages result in more reproducible, growth-dominated switching. This experimental distinction addresses a long-standing challenge in PCM research. In addition, RESET switching into the high-resistance amorphous state is demonstrated for pulse widths below 100 ps with an Roff/Ron ratio of over one thousand. These switching times fall below the previously reported RESET time record of approximately 200 ps [8], providing new insights into melt-quench dynamics at these timescales. The results of this study offer a comprehensive understanding of ultra-fast switching dynamics across different memristive material systems and highlight their potential for sub-ns neuromorphic functionality.

OpenAccess:
PDF
(additional files)