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Conmutación resistiva en óxidos
funcionales: hacia nuevas memorias
RRAM
Diego Rubi
Grupo de Materia Condensada, Centro
Atómico Constituyentes, Comisión Nacional
de Energía Atómica
Conmutación resistiva o resistive switching:
cambio reversible y no volátil de la resistencia de
una estructura Metal-Aislante-Metal ante la
aplicación de un campo eléctrico
Interés tecnológico: desarrollo de memorias
RRAM (Resistive Random Access Memories)
• Velocidades de conmutación del orden de los
nanosegundos (>>velocidad que memorias flash)
• Alta constante dieléctrica  miniaturización y
bajo consumo
Investigación básica
comenzó hace 40
años….
El resistive switching aparece como un fenómeno ubicuo
• óxidos binarios: TiO2, HfO2, SnO2, CuO, NiO, ZnO…
• óxidos ternarios: SrTiO3, SrZnO3…
• óxidos complejos: YBCO, manganitas…
El RS puede ser unipolar o bipolar
Unipolar, Pt/NiO/Pt
Bipolar, Ti/La2CuO0/La1.65Sr0.35CuO4
Localización geométrica de la zona “activa” clasificación a primer orden
del RS:
• Creación/ruptura de filamentos conductores confinados localmente
• Efecto de interfase distribuido homogéneamente sobre toda la superficie
del electrodo metálico en la estructura metal/aislante/metal.
Las vacantes de oxígeno juegan un papel fundamental
Material de interés: BiFeO3
• Multiferroico (ferroeléctrico y antiferromagnético) a
temperatura ambiente  multifuncionalidad
• Resultados preliminares en muestras cerámicas de
Bi0.9Ca0.1FeO3 y Bi0.9Ba0.1FeO3 indican la existencia de
RS
9,00E+008
200
0
7,00E+008
-200
6,00E+008
-400
5,00E+008
-600
4,00E+008
-800
45
50
55
60
65
Tiempo (seg)
70
75
80
Estímulo (V)
Resistencia (Ohms)
8,00E+008
Proyecto a corto plazo: crecimiento de películas
delgadas
• Esta es la forma elegida para aplicaciones
• Posibilidad de crecer fases metaestables (estabilización epitaxial),
difíciles o imposibles de obtener en bulk y monocristales
• Posibilidad de “sintonizar” las propiedades de los materiales (efectos de
tensiones, efectos de tamaño finito)
• Combinar diferentes materiales en multicapas o composites, con
funcionalidades mejoradas
film
Film
Substrate
substrate
lattice mismatch  strain
Crecimiento de películas delgadas: Pulsed Laser
Deposition (PLD)
• Sistema en etapa de compra en CAC-CNEA
• Sistema funcionando en FI-UBA
Metodología: Crecimiento de films
• Determinación de parámetros óptimos de crecimiento
(temperatura del substrato, presión parcial de oxígeno, frecuencia
del láser, distancia blanco-substrato…)
• Caracterización por XRD. Fases parásitas?. Crecimiento
epitaxial?
• Determinación del modo de crecimiento (capa por capa, islas…)
 microscopía de fuerza atómica (AFM)
7
10
AL2787B
6
10
5
Counts
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
20
40
60
 (º)
80
(222)
(111)
• Rocking curves
• Phi-scans
• Mapas de espacio
recíproco (RSM)
Intensity (arb. units)
*
*
Metodología: Caracterización estructural de los
films
FWHM 0.07°
(b)
(a)
39
42
80
85
90 41
42
2 (°)
Intensity (arb. units)
43
(c)
(110)STO
0.48
Kperp/K0
Intensity (arb. units)
(112)STO
(400)SRO
60
120
180
 (°)
240
300
360
(d)
(a)
0.46
0.44
0
44
 (°)
(112)SRO
-0.17
-0.16
-0.15
-0.14
Kpar/K0
Difractómetro 4-círculos Panalytical en etapa de adquisición (D. Vega)
Metodología: Caracterización magnética
0,8
BBFO#1
0,6
0,4
M (emu/gr)
• Magnetómetro Versalab
QD (CAC-CNEA)
• Magnetómetro SQUID QD
(Red Nacional Magnetismo)
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,6
-3
-2
-1
0
1
2
H (T)
Cerámico de Bi0.9Ba0.1FeO3
3
Metodología: Caracterización eléctrica
• Depósito electrodos metálicos
(sputtering, evaporación, litografía)
• Keithley 2400
• Keithley 4200
• Micro Probe-Station
• Osciloscopios, fuentes de
tensión/voltaje, etc.
• PCs para control remoto (GPIB)
• Determinación del proceso óptimo de forming
• Mediciones de RS en diferentes escalas de tiempos,
analizando transitorios durante la aplicación del pulso.
• Estudio de la influencia de diferentes parámetros
eléctricos: duración, amplitud, polaridad y secuencia de los
pulsos.
• Dependencia del RS con el tipo de electrodo metálico
•Estudio de la dependencia del RS con el área de los
contactos (filamentos o interfase)
Metodología: Caracterización eléctrica
Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3
200
200
8
8
2,00x10
2,00x10
0
8
1,60x10
-400
8
1,80x10
-200
-400
8
1,60x10
-600
-600
Pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1
8
1,40x10
8
1,40x10
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1
-800
30
60
Tiempo (seg)
100
200
Tiempo (seg)
Efectos de acumulación de pulsos
300
-800
400
Estímulo (V)
-200
Resistencia (Ohms)
8
1,80x10
Estímulo (V)
Resistencia (Ohms)
0
Metodología: Caracterización eléctrica
Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3
200
8
2,00x10
200
8
15seg entre tren y tren
2,00x10
8
-200
-400
8
1,60x10
8
1,80x10
-200
-400
8
1,60x10
-600
8
-600
8
1,40x10
1,40x10
200
300
50min entre tren y tren
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 50
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1
100
Estímulo (V)
1,80x10
Resistencia (Ohms)
0
Estímulo (V)
Resistencia (Ohms)
0
-800
400
-800
36000 39600 43200 46800 50400 54000 57600 61200 64800 68400 72000
Tiempo (seg)
Tiempo (horas)
Efectos de relajación del RS
• Relacionado con el bajo campo eléctrico alcanzable en cerámicos
• En capas delgadas, se espera un RS mucho más robusto
Resumen
Proyecto propuesto:
• Crecimiento de capas delgadas por PLD de BiFeO3 y óxidos
relacionados
• Caracterización morfológica (AFM) y estructural (XRD)
• Medición de propiedades magnéticas
• Medición de propiedades eléctricas: efectos de conmutación
resistiva. Estudio del mecanismo de RS para distintos óxidos,
electrodos y geometrías. Determinación del efecto de diferentes
protocolos eléctricos de medición
Otro proyecto en la temática: RS en TiO2 y manganitas
desde un approach más tecnológico (Pablo Stoliar)