Μελέτη του Φαινομένου Εναλλαγής της Αντίστασης (RRAM) μέσω Πειράματος και Προσομοίωσης

Asenov, Patrick

dc.contributor.author	Asenov, Patrick	el
dc.date.accessioned	2016-07-18T11:38:13Z
dc.date.available	2016-07-18T11:38:13Z
dc.date.issued	2016-07-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43154
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12385
dc.rights	Default License
dc.subject	Memristor	en
dc.subject	RRAM	en
dc.subject	Resistive switching	en
dc.subject	C-AFM	en
dc.subject	Modeling	en
dc.title	Μελέτη του Φαινομένου Εναλλαγής της Αντίστασης (RRAM) μέσω Πειράματος και Προσομοίωσης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Materials physics	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-06-14
heal.abstract	Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής διατριβής είναι η μελέτη διατάξεων RRAM μέσω πειράματος και μοντελοποίησης. Κάθε μία από τις προαναφερθείσες διατάξεις απαρτίζεται από μια δομή MIM (Metal-Insulator-Metal), με τα λεπτά υμένια να αποτελούνται από Au και ένα μονοεπίπεδο ενεργό διηλεκτρικό TiO2, ή ένα διεπίπεδο ενεργό διηλεκτρικό TiOx/TiO2-x, 0<x<2. Μερικά από τα δείγματα περιέχουν εμφυτευμένα νανοσωματίδια Pt στο ενεργό διηλεκτρικό τους. Αυτές οι δομές μπορούν να μεταβάλλουν την αγωγιμότητα τους κατά πολλές τάξεις μεγέθους υπό κατάλληλες αλλαγές στην εφαρμοζόμενη τάση μεταξύ των πάνω και κάτω ηλεκτροδίων τους. Στην παρούσα εργασία, ο σχηματισμός και η διάλυση αγώγιμων νημάτων (CFs – Conductive Filaments), που εξαρτώνται από ηλεκτρικό πεδίο και θερμοκρασία και που περιέχουν κενές θέσεις οξυγόνου, θεωρούνται ο μηχανισμός οδήγησης πίσω από το φαινόμενο εναλλαγής αντίστασης. Μετρήσεις επιφανειακής ανάλυσης και ηλεκτρικού χαρακτηρισμού διεξήχθησαν επί των δειγμάτων χρησιμοποιώντας αγώγιμη μικροσκοπία ατομικής δύναμης (C-AFM – Conductive Atomic Force Microscopy), και τα αποτελέσματα συζητούνται στη διατριβή. Επιπλέον, εφαρμόζεται ένα φυσικό μοντέλο που εξηγεί με ικανοποιητικό βαθμό συνέπειας με το πείραμα τις αποκρίσεις SET/RESET (τόσο υπό DC, όσο και υπό AC εξωτερικά σήματα) και παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για την μορφολογία των CFs. Το μοντέλο αυτό βασίζεται σε υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων και ελέγχθηκε με χρήση του λογισμικού COMSOL Multiphysics. Εξισώσεις ολίσθησης-διάχυσης, συνέχειας ρεύματος και θέρμανσης Joule εξισώσεις συζεύχτηκαν, και 2D και 3D χάρτες συγκέντρωσης κενών θέσεων οξυγόνου, ηλεκτρικού δυναμικού και θερμοκρασίας λήφθηκαν. Τέλος, προτείνουμε έναν νέο αλγόριθμο κινητικής Monte Carlo που περιγράφει τη στοχαστική φύση του σχηματισμού και της διάλυσης των CFs κατά τη διάρκεια των διαδικασιών SET και RESET αντίστοιχα, σε δείγματα με ή χωρίς εμφυτευμένα νανοσωματίδια Pt. Ο αλγόριθμος αυτός λαμβάνει υπ’ όψιν την τυχαία κίνηση και ανακατανομή των ιόντων οξυγόνου και των ιοντικών οπών οξυγόνου λόγω των φαινομένων της γέννησης, της επανασύνδεσης και της μετανάστευσης, που οδηγούν σε διαφορετική τελική τιμή της αντίστασης κάτω από τις ίδιες αρχικές και συνοριακές συνθήκες. Κάθε κενή θέση οξυγόνου στο εσωτερικό του CF θεωρείται παγίδα ηλεκτρονίου και το άθροισμα όλων των ρυθμών μεταπήδησης ηλεκτρονίων από παγίδα σε ηλεκτρόδιο (που εξηγούνται με κβαντικό μοντέλο TAT – Trap Assisted Tunneling, ή φαινόμενο σήραγγας υποβοηθούμενο από παγίδες) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των τιμών του ηλεκτρικού ρεύματος. Ο αλγόριθμος KMC (Kinetic Monte Carlo) εκτελέστηκε ως κώδικας σε MATLAB.	el
heal.abstract	The subject of the present thesis is the study of RRAM devices through experimentation and modeling. Each of the above-mentioned devices consists of a structure of MIM (Metal-Insulator-Metal), with the thin films comprised of Au and an active dielectric monolayer TiO2, or an active dielectric bilayer TiOx/TiO2-x, 0<x<2. Some of the samples have Pt nanoparticles implanted into their active dielectric. These structures can alter their conductivity many orders of magnitude under proper changes of the applied voltage between their top and bottom electrodes. In the present work the electrical field/temperature driven formation and rupture of conductive filaments (CFs) containing oxygen vacancies is considered the driving mechanism behind the resistive switching phenomenon. Surface analysis and electrical characterization measurements were conducted on the samples using conductive atomic force microscopy (C-AFM), and the results are discussed in the thesis. Also a physics model that explains with a fair degree of consistency with the experiment the SET/RESET responses (at both DC and AC external signals) and provides valuable information about the morphology of the CFs is applied. This model is based on finite element computations and was tested using the COMSOL Multiphysics software. Drift-diffusion, current continuity and Joule heating equations were coupled, and 2D and 3D oxygen vacancy concentration, electric potential and temperature maps are obtained. Finally, we propose a new kinetic Monte Carlo algorithm that describes the stochastic nature of the formation and rupture of CFs during the SET and RESET processes, respectively, in samples with or without implanted Pt nanoparticles. This algorithm takes into consideration the random movement and redistribution of oxygen ions and oxygen vacancies due to the generation, recombination and migration effects, which result in a different resistance final value under the same initial and boundary conditions. Each oxygen vacancy inside the CF is considered an electron trap and the sum of all electron hopping from trap to electrode rates (explained with a quantum TAT–Trap Assisted Tunneling model) was used for the calculation of the electric current values. The KMC algorithm was executed as a MATLAB code.	en
heal.advisorName	Τσουκαλάς, Δημήρτιος	el
heal.committeeMemberName	Τσαμάκης, Δημήρτιος	el
heal.committeeMemberName	Ξανθάκης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	144 σ.
heal.fullTextAvailability	true