Caracterización eléctrica y modelado de memorias no volátiles basadas en óxidos

En este trabajo se presenta un estudio sobre la conmutación de la resistencia eléctrica en dispositivos formados por estructuras metal - óxido - metal. Se estudiaron dos óxidos paradigmáticos por el tipo de mecanismo que exhiben, la manganita La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO) y el óxido simple TiO2. En la primera parte de la Tesis se analizaron los mecanismos de la conmutación resistiva en dispositivos de LPCMO cerámico a través de un enfoque teórico - experimental. A partir de la comprensión de la respuesta microscópica utilizando un modelo de migración de defectos, se interpretaron resultados experimentales novedosos con potencial uso tecnológico, como la reducción del umbral necesario para la conmutación, la optimización en el proceso de inicialización, el incremento en la durabilidad de los dispositivos y la mejora de la relación entre los valores de resistencia alta y baja. La segunda parte de la Tesis está dedicada a junturas metal - óxido - metal basadas en películas de TiO2 obtenido por técnicas de dip-coating y sputtering reactivo. En este último caso se realizó la microfabricación de dispositivos con áreas de hasta 4 x 4 um2 . Se fabricaron arreglos de junturas de Au/TiO2/Al, y se caracterizaron sus dos modos de conmutación de la resistencia (unipolar y bipolar) obteniendo durabilidades de hasta 104 ciclos de conmutación y retentividades de hasta 105 segundos. Por otra parte se reformuló el modelo de migración de vacancias de oxígeno para reproducir los resultados experimentales obtenidos en dispositivos de TiO2. Asimismo, se estudiaron junturas de Au/TiO2/Cu con diferentes procesos de inicialización, encontrando que éstos determinan el tipo de filamento responsable de la conmutación resistiva. Se estudió su respuesta en presencia de irradiación con iones de oxígeno.In this work we present an experimental and theoretical study of the resistive switching (RS) phenomena in a complex oxide, La0.325Pr0.3Ca0.375MnO3 (LPCMO), and a simple oxide, TiO2. In the first part we studied the RS in ceramic manganite LPCMO through a theoretical - experimental approach. Microscopic profiles of oxygen vacancy concentration was revealed by the enhanced oxygen vacancy migration (VEOV) model. The understanding of the underlying mechanism allowed to produce a reduced threshold for switching, to control the initialization process, to obtain the increase of the durability by three orders of magnitude, and to attain an improved relationship between high and low resistance values. In the second part, we designed and micro-fabricated memory cell arrays.Tests were conducted using TiO2 obtained by the dip coating and reactive sputtering techniques. The devices were characterized (i) morphologically by AFM, ellipsometry, x-ray diffraction, and SEM in parallel and transversal view and (ii) electrically by the pulsed and dc measurements resulting in a durability of 104 cycles and viii a retention of 105 s. The reformulated VEOV migration model of oxygen vacancies reproduced the experimental results sufficiently in TiO2. Au/TiO2/Cu junctions were studied with different electroforming polarities, which determines the nature of the conductive filament responsible of the resistive switching. In this configuration three stable states were achieved. Based in the microfabricated devices with memory properties, we studied its response under heavy ions irradiation and we designed and built a fully functional prototype for testing in aerospace conditions.Fil: Ghenzi, Néstor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

Tuning the resistive switching properties of TiO2-x films

We study the electrical characteristics of TiO2-x-based resistive switching devices fabricated with different oxygen/argon flow ratio during the oxide thin film sputtering deposition. Upon minute changes in this fabrication parameter, three qualitatively different device characteristics were accessed in the same system, namely, standard bipolar resistive switching, electroforming-free devices, and devices with multi-step breakdown. We propose that small variations in the oxygen/ argon flow ratio result in relevant changes of the oxygen vacancy concentration, which is the key parameter determining the resistive switching behavior. The coexistence of percolative or non-percolative conductive filaments is also discussed. Finally, the hypothesis is verified by means of the temperature dependence of the devices in low resistance state.Fil: Ghenzi, Néstor. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. CIC nanoGUNE; EspañaFil: Rozenberg, M.J.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Université Paris Sud; FranciaFil: Llopis, R.. CIC nanoGUNE; EspañaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Hueso, Luis E.. Universidad del País Vasco; España. Fundación Vasca para la Ciencia; EspañaFil: Stoliar, Pablo Alberto. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. CIC nanoGUNE; Españ

Impact of sub- and supra- threshold switching in the synaptic behavior of TiO2 memristors

Al/TiO2/Au memory junctions grown by reactive sputtering were fabricated and characterized. Usual hysteretic features were obtained, spanning an order of magnitude ratio between high and low resistance states. We explored sub-threshold and supra-threshold stimuli, to describe “binary” and “analogic” synapses (i.e. synaptic emulators) characteristics in detail. We show that each type of behavior can be chosen regarding the dependence of the switching on the amplitude of voltage stimuli. The sub-threshold switching originating the analog mode is explained by the drift-diffusion of oxygen vacancies while the binary mode is attributed to the Joule-heating-assisted electric-field-induced movement of oxygen vacancies. In the supra-threshold limit we found that “excitatory” and “inhibitory” synaptic behavior can be tailored by controlling the pulsing current amplitude. We discuss this result within the artificial neural network topology framework, as changing the behavior type of the synapses results in its reconfiguration.Fil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

A compact model for binary oxides-based memristive interfaces

We report the resistive switching (RS) characteristics of Al/TiO2/Au memristive cells fabricated in a crossbar array. The measured R–V curves suggest that RS takes place essentially at the Au/TiO2 interface. We propose a model based on the electric field enhanced migration of oxygen vacancies at that interface which reproduces the main features of the experimental data, namely the remnant resistance states and the degradation process. Obtained vacancy profiles at the active region of the junction give insight for the design of improved devices.Fil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); ArgentinaFil: Sánchez, María José. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Modeling of the Hysteretic I-V Characteristics of TiO2-Based Resistive Switches Using the Generalized Diode Equation

An equivalent circuit representation for the conduction characteristics of TiO2-based resistive switches based on the generalized diode equation is reported. The proposed model consists of two antiparallel diodes with series and parallel resistances representing the filamentary current pathway spanning the oxide layer and the possible parasitic conduction effects. The model accounts for the pulse-induced hysteretic behavior exhibited by the I-V characteristic after electroforming. Three different approaches, each one of them with increased complexity, are assessed: 1) constant; 2) nanowire-like; and 3) sigmoidal diode amplitude. In all cases, the logarithmic conductance of the diodes is modeled using a logistic-type threshold function.Fil: Blasco, Juli. Universitat Autònoma de Barcelona; EspañaFil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Suãé, Jordi. Universitat Autònoma de Barcelona; EspañaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Miranda, Enrique. Universitat Autònoma de Barcelona; Españ

Resistive switching in ferromagnetic La2/3Ca1/3MnO3 thin films

Ferromagnetic thin films of La_{2/3}Ca_{1/3}MnO_{3} manganite were grown by pulsed laser deposition, under different oxygen atmospheres, on silicon substrates.We performed structural, magnetic, spectroscopic, and electrical characterization of the films. Resistive switching between high and low resistance states was obtained upon pulsing with opposite polarities voltages. The I-V curves exhibit sharp transitions between these states. The RS properties are strongly dependant on the films oxygen stochiometry and on the compliance current used for producing the high to low transition. ON/OFF ratios as high as 1000 were obtained for optimal RS conditions. Obtained results are discussed within the framework of mobile oxygen vacancies.Fil: Alposta, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Kalstein, Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Bengió, Silvina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); ArgentinaFil: Zampieri, Guillermo Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Area de Investigación y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Bariloche); ArgentinaFil: Rubi, Diego. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentin

One-transistor one-resistor (1T1R) cell for large-area electronics

We developed a one-transistor one-resistor cell composed of one TiO2-based resistive switching (RS) device and one ZnO-based thin-film transistor (TFT). We study the electric characteristics of each component individually, and their interplay when both work together. We explored the direct control of bipolar RS devices, using our TFTs to drive current in both directions. We also report striking power implications when we swap the terminals of the RS device. The target of our work is the introduction of RS devices in large-area electronic (LAE) circuits. In this context, RS devices can be beneficial regarding functionality and energy consumption, when compared to other ways to introduce memory cells in LAE circuits.Fil: Ghenzi, Néstor. Pontificia Universidad Católica Argentina "Santa María de los Buenos Aires"; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Cic Nanogune; EspañaFil: Rozenberg, M.. Université Paris Sud; FranciaFil: Pietrobon, L.. Cic Nanogune; EspañaFil: Llopis, R.. Cic Nanogune; EspañaFil: Gay, R.. Cic Nanogune; EspañaFil: Beltrán, M.. Cic Nanogune; EspañaFil: Knez, M.. Cic Nanogune; España. Basque Foundation for Science; EspañaFil: Hueso, L.. Cic Nanogune; España. Basque Foundation for Science; EspañaFil: Stoliar, P.. Cic Nanogune; España. National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology; Japó

Building memristive and radiation hardness TiO2-based junctions

We study micro-scale TiO2 junctions that are suitable to be used as resistive random-access memory nonvolatile devices with radiation hardness memristive properties. The fabrication and structural and electrical characterization of the junctions are presented. We obtained a retentivity of 105 s, an endurance of 104 cycles and reliable switching with short electrical pulses (time-width below 10 ns). Additionally, the devices were exposed to 25 MeV oxygen ions. Then, we performed electrical measurements comparing pristine and irradiated devices in order to check the feasibility of using these junctions as memory elements with memristive and radiation hardness properties.Fil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rubi, Diego. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Mangano, E.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; ArgentinaFil: Gimenez, G.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; ArgentinaFil: Lell, Julián Alejandro. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Zelcer, Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; ArgentinaFil: Stoliar, Pablo Alberto. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Universite de Nantes; Francia. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia Química. CAC; Argentin

Modeling electronic transport mechanisms in metal-manganite memristive interfaces

We studied La0.325Pr0.300Ca0.375MnO3-Ag memristive interfaces. We present a pulsing/measuring protocol capable of registering both quasi-static i-v data and non-volatile remnant resistance. This protocol allowed distinguishing two different electronic transport mechanisms coexisting at the memristive interface, namely space charge limited current and thermionic emission limited current. We introduce a 2-element electric model that accounts for the obtained results and allows predicting the quasi-static i-v relation of the interface by means of a simple function of both the applied voltage and the remnant resistance value. Each element of the electric model is associated to one of the electronic transport mechanisms found. This electric model could result useful for developing time-domain simulation models of metal-manganite memristive interfaces.Fil: Gomez Marlasca, F.. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Ghenzi, Néstor. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Leyva, Adelma Graciela. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Albornoz, Cecilia Andrea. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Stoliar, Pablo Alberto. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); ArgentinaFil: Rubi, Diego. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigaciones y Aplicaciones No Nucleares. Gerencia de Física (Centro Atómico Constituyentes); Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin