Estudio de la conmutación resistiva a partir de la caracterización eléctrica de estructuras mim

Resum

En los últimos años, la búsqueda de sustitutos para la actual tecnología CMOS en la que se basan la mayoría de memorias de estado sólido, como las flash, se ha incrementado. Ello ha causado que fenómenos como la conmutación resistiva (resistive switching o RS) se estudien cada vez más, ya que pueden ser la base de una nueva familia de dispositivos de almacenamiento emergentes, entre los cuales están las memorias RAM resistivas, denominadas ReRAMs o RRAMs. Esta tesis se centra principalmente en la caracterización de estructuras metal-aislante-metal (MIM) que presentan conmutación resistiva, cuyo aislante está constituido por un óxido de metal de transición. La conmutación resistiva es un fenómeno físico por el cual, al aplicar un determinado campo eléctrico, el dieléctrico cambia el valor de su resistencia. Esto permite modular las propiedades eléctricas del material de tal forma que se puedan conseguir diferentes estados eléctricos. Cierto valor de potencial eléctrico permite disminuir el valor de la resistencia del óxido formando unos filamentos conductivos (CFs) que conectan ambos metales a través del mismo, mientras que la aplicación de otro potencial de valor diferente disuelve parcialmente estos filamentos incrementando de nuevo la resistencia. El trabajo que aquí se presenta estudia en detalle la conmutación resistiva en estructuras metal-aislante-metal, con especial interés (aunque no únicamente) en el estudio de dispositivos cuyo dieléctrico es óxido de hafnio, con el objetivo de caracterizar eléctricamente el material. La medida de algunas de sus propiedades, como la diferencia entre estados, la retención de los mismos, la durabilidad del dispositivo, los voltajes de conmutación, etc, permitirán dilucidar la idoneidad del dieléctrico para, por ejemplo, futuros dispositivos de memoria. Aún más importante, caracterizar en profundidad estos materiales permite estudiar detenidamente el fenómeno de la conmutación resistiva para entender mejor los mecanismos físicos que la sustentan. Este trabajo además también versará sobre los efectos de la temperatura externa, la temperatura de fabricación de las muestras y la combinación del óxido de hafnio con otros materiales sobre las propiedades eléctricas de las muestras. Así también, se desarrolla una técnica de caracterización de dispositivos de conmutación resistiva mediante el control de la carga, y se caracterizan eléctricamente dispositivos basados en ZrO2 y MnOx, que podrían sustituir al óxido de hafnio en el futuro, con el objetivo de obtener datos preliminares acerca de sus propiedades eléctricas en relación a la conmutación resistiva. La tesis está estructurada en diferentes capítulos, subdivididos en secciones. En el primer capítulo se hará una introducción acerca de las memorias resistivas, así como de su necesidad y aplicaciones. El segundo tratará sobre los fundamentos físicos de la conmutación resistiva, introduciendo conceptos importantes como el memristor y el fenómeno de la conmutación resistiva. El tercer capítulo se dedicará exclusivamente a la presentación de los resultados experimentales y su discusión. Por último, en el cuarto capítulo se mostrarán las conclusiones de la tesis de forma clara y resumida.