Modeling and simulation of bilayer area-dependent valence change memory devices

Sommer, Nils; Waser, Rainer; Jungemann, Christoph

doi:43483

Modeling and simulation of bilayer area-dependent valence change memory devices = Modellierung und Simulation von flächig schaltenden zweischichtigen Valenzwechselspeicherzellen

Sommer, Nils^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nils Sommer, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Jungemann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06154
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/988396/files/988396.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Entwicklung zukünftiger Halbleiteranwendungen bringt große Herausforderungen mit sich. Über Jahrzehnte hat Moores berühmtes Gesetz die Miniaturisierung treffend hervorgesagt. Jedoch stoßen aktuelle Technologien zunehmen an physikalische Grenzen. Darüber hinaus benötigt die wachsende Anzahl an Computern weltweit immer mehr elektrische Energie. Zur Lösung dieser Herausforderungen werden neue Konzepte vorgeschlagen, wie zum Beispiel Redox-based Random Acesses Memory (ReRAM), in-memory computing oder neuromoprhe Anwendungen. Valenzwechsel-Speicherzellen (VCM) sind dabei vielversprechende Kandidaten für die Umsetzung dieser Konzepte.Eine spezielle Gruppe der VCM-Zellen bilden die flächig schaltenden Zellen. Dabei bestehen flächig schaltende Zellen meistens aus zwei Metall-Oxid Schichten, welche sich zwischen den Metall Elektroden befinden. Bei diesen Zellen skaliert der Widerstand der Zelle linear mit der Querschnittsfläche der Zelle. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass es während der Widerstandsänderung einen Sauerstoffaustausch zwischen den beiden Metall-Oxid Schichten gibt. Als Idee wurde geäußert, dass dieser Austausch ursächlich für die Widerstandsänderung ist. Allerdings wurde diese Idee bisher kaum durch physikalische Modelle geprüft.In dieser Arbeit werden zwei Modelle für flächig schaltende VCM-Zellen entwickelt, die diese Idee des Sauerstoffaustausches aufgreifen. Mit Hilfe dieser Modelle wird der Einfluss des Sauerstoffaustausches auf die Widerstandsänderung der VCM-Zellen analysiert. Dabei wird der Einfluss verschiedener Effekte und Materialparameter auf die Dynamik des Sauerstoffaustausches untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Widerstandsänderung durch einen Sauerstoffaustausch bewirkt werden kann. Die Simulationsergebnisse zeigen darüber hinaus, dass das Verhalten der Widerstandsänderung davon abhängig ist, wie weit die Sauerstoffionen in die Materialien eindringen und wie das Verhältnis der Permittivitäten der Materialien zueinander ist.Des Weiteren zeigen flächig schaltende VCM-Zellen eine graduelle Änderung ihres Widerstandes, wenn eine Spannung an die Zelle angelegt wird. Mithilfe der entwickelten Modelle wird gezeigt, was notwendig ist, sodass diese graduelle Widerstandsänderung auftritt. Weiter werden die Simulationsmodelle genutzt um die Verhalten der Sauerstoffbewegung zu analysieren. Gleichzeitig bildet eins der Oxide meist eine Tunnelbarriere für Elektronen und Löcher. Das Tunneln der Elektronen und Löcher wird mit den Modellen näher untersucht.Abschließend werden die Simulationsergebnisse mit experimentellen Ergebnissen verglichen und es wird aufgezeigt, welche gemessenen Effekte durch die Modelle erklärt werden können. Zusätzlich wird diskutiert, welche Effekte noch nicht durch die Modellidee eines einfachen Sauerstoffaustausches erklärt werden können und welche Erweiterungen der Modelle notwendig sind.

The development of future semiconductor devices brings major challenges. Moore's famous law has predicted the miniaturization for decades. However, current technologies are reaching their physical limits. Further, the increasing number of computer technologies worldwide requires more and more electrical energy. Therefore, new concepts are proposed, e.g., Redox-based Random Access Memory (ReRAM), in-memory computing or neuromorphic applications. In this context, valence change memory cells (VCM) are promising candidates for the implementations of these concepts. Area-dependent switching VCM cells are a special type of VCM cells. Many of the area-dependent VCM cells consist of a bilayer structure, i.e., there are two semiconducting metal-oxide layers in between two metal electrodes. The resistance of an area-dependent device scales linearly with the device area. In addition, the resistance of the VCM cell can be manipulated by applying a voltage stimuli to the electrodes. It was shown experimentally that there is an exchange of oxygen ions between the two metal-oxide layers when the resistance of the device is changed. Hence, it was suggested that this exchange is the fundamental reason for the resistance change. However, this idea has been barley tested by physically models so far. In this work, two physically motivated models for area-dependent bilayer VCM cells are developed. Both models incorporate the idea of an oxygen exchange between the two metal-oxide layers. By means of these models, the influence of an oxygen exchange on the device resistance is investigated. Under special interest is the influence of different materials parameters on the resistance change as well as on the dynamically movement of the oxygen ions. It is shown that device resistance can be changed by the oxygen exchange. Thereby, the behavior of the resistance change depends on how far the oxygen ions migrate into the bulk of the materials. Further, a dependency on the material permittivities is shown. Another property of area-dependent VCM cells is that the resistance changes gradually under applied voltages. By means of the developed models it is investigated what is necessary to gain a gradual change of the resistance. Furthermore, the models are used for a detailed analysis of the movement of the oxygen ions and how the charge carriers, i.e., electrons and holes, overcome a tunnel barrier that is created by one of the oxide layers. At the end of this work, the simulation results are compared to experimental measurements from the literature to identify which measured effects can be explained by the models. In addition, it is discussed which effects cannot be explained by the model of a simple oxygen exchange and which extension on the models are necessary.

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