Zespół realizujący projekt
Zakład Przyrządów Mikroelektroniki i Nanoelektroniki Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki WEiTI PW:
dr inż. Andrzej Mazurak (charakteryzacja i modelowanie przyrządów półprzewodnikowych)
dr inż. Jakub Jasiński (charakteryzacja i modelowanie przyrządów półprzewodnikowych)
dr hab. inż. Robert Mroczyński, prof. uczelni (technologia i charakteryzacja przyrządów półprzewodnikowych)
Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT:
dr inż. Piotr Wiśniewski (modelowanie i technologia przyrządów półprzewodnikowych)
Wydział Inżynierii Materiałowej PW:
dr inż. Tomasz Płociński (zastosowanie zaawansowanych technik mikroskopii elektronowej w badaniu struktury materiałów funkcjonalnych o strukturze nanometrycznej).
Streszczenie projektu:
Przyrządy RRAM (ang. Resistive Random Access Memory) są rozpatrywane jako obiecujący kandydat, który mógłby w przyszłości zastąpić produkowane obecnie pamięci półprzewodnikowe. Z uwagi na sposób i dynamikę procesu zapisywania informacji znalazły również zastosowanie przy próbach tworzenia systemów komputerowych nowej generacji tzw. komputerów neuromorficznych (ang. neuromorphic computing). Konstrukcja struktury typu RRAM zakłada zamknięcie warstwy dielektrycznej (lub układu dwóch lub więcej warstw) w warstwach przewodzących, które stanowią elektrody adresujące poszczególne komórki pamięciowe. Pod wpływem polaryzacji elektrycznej możliwa jest kontrola rezystywności warstw pomiędzy elektrodami, a tym samym kodowanie stanów logicznych. Do tej pory zaproponowano i zbadano wiele koncepcji struktur dla pamięci typu RRAM, jednak nadal istnieje szereg problemów niezawodnościowych związanych z szybkością przełączania oraz czasem utrzymywania stanu logicznego (ang. retention) pojedynczych komórek. Niewątpliwie ma to związek z nie do końca poznanym i zbadanym mechanizmem odpowiedzialnym za zmianę rezystancji będącej istotą pracy przyrządu. W ramach niniejszej pracy zostaną zbadane mechanizmy formowania ścieżek prądowych pod wpływem pola elektrycznego oraz mechanizmy transportu ładunków zachodzących w dwóch typach struktur typu MIM (ang. Metal-Insulator-Metal): (1) „klasycznych” struktur bazujących na pojedynczych lub periodycznie ułożonych cienkich materiałach dielektrycznych oraz (2) struktur z wykorzystaniem nanokryształów metalicznych oraz półprzewodnikowych. Przeprowadzona zostanie charakteryzacja elektryczna oraz strukturalna wykonanych i zoptymalizowanych na potrzeby tego projektu struktur testowych. Złożenie tych dwóch odmiennych i niezależnych metod badawczych pozwoli na pełny opis oraz zrozumienie zjawisk zachodzących w trakcie oddziaływania pola elektrycznego na strukturę materiałów i uzyskiwane parametry elektryczne badanych struktur. Projekt zakłada współpracę międzywydziałową (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych oraz Wydział Inżynierii Materiałowej) oraz współpracę z jednostkami naukowymi z zagranicy. Zdobyta wiedza może pozwolić w przyszłości na podjęcie badań związanych z tematyką neuromorphic computing w kontekście implementacji sprzętowej.
Rysunek: Przekroje poprzeczne badanych struktur typu MIM do zastosowań w pamięciach RRAM.
Study on the charge transport mechanisms and filament formation in Metal-Insulator-Metal (MIM) structures
Summary:
keywords: METAL-INSULATOR-METAL, RESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY, CHARGE TRANSPORT MECHANISMS, FILAMENT FORMATION, SEMICONDUCTOR NANOCRYSTALS, TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY, SCANNING ELECTRON MICROSCOPY
The Resistive Random Access Memory (RRAM) devices are considered as a promising candidate to replace currently commercially available semiconductor memory devices. Due to its resistivity change process accumulative dynamics they are also used to implement the idea of a new generation computing, namely the neuromorphic computing. In the RRAM devices an insulator layer (or a multilayer stack of several insulator layers) is incorporated between the conductive electrodes. One RRAM device forms one memory cell, addressed with the outer electrodes of the device. The resistivity of the insulator layer is controlled by the bias implied to the electrodes, and thus a given logic state may be coded (set or erased). Several concepts of RRAM devices have been proposed and studied, however still there are several reliability issues that need to be addressed, e.g. the ones related to the limited switching speed or the retention time. The crucial subject that still remains not thoroughly understood is the mechanism of the resistivity modulation, which is the operation principle of such devices. In course of this project the effect of the electric field on the filament modulation (creation and reduction), and charge transport processes will be investigated. The study will be conducted for two types MIM (Metal-Insulator-Metal) structures: (1) the “classic” RRAM devices based on single- or periodical multi-layer insulators (several dielectric materials will be considered), and (2) the devices with metallic and semiconductor nanocrystals (NCs) incorporated in the insulator layer. The electrical and structural characterization will be conducted The idea of combining those two different and uncorrelated investigation techniques shall give insight into the effect of the electric field on the material structure and the obtained electrical parameters of the investigated devices. The project assumes the interdepartmental cooperation (the Faculty of Electronics and Information Technology and the Faculty of Material Science and Engineering) and it involves the contribution of foreign scientific units. The knowledge gained with this project may lead in the future to additional studies related to neuromorphic (brain-inspired) computing in the hardware implementation context.
Investigation of electrical properties of the Al/SiO2 /n++-Si resistive switching structures by means of static, admittance, and impedance spectroscopy measurements, Wiśniewski P., Jasiński J., Mazurak A., Stonio B., Majkusiak B., Materials, 2021, 14(20), 6042, DOI: 10.3390/ma14206042