Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS (33144010006P9)
Effect of doping in tantalum oxide-based resistive switching devices (Memristors)
JOAO HENRIQUE QUINTINO PALHARES
DISSERTAÇÃO
14/08/2020

Os dispositivos de comutação resistiva (RS) (memristores) baseados em portadores iónicos chamaram a atenção devido à sua estrutura simples (apenas dois terminais), baixo consumo de energia, alta escalabilidade, endurance e possibilidade de novas arquiteturas de computação. Contudo, a variabilidade é ainda um fator limitante para as aplicações RS. Nos dispositivos RS à base de óxido, a mudança reversível (comutação) na resistência de uma fina camada dieléctrica resulta do movimento de vacâncias de oxigênio induzidas por campos elétricos elevados. Para reduzir a variabilidade, é primordial entender e controlar a formação e movimentação de vacâncias de oxigênio. Neste trabalho, foi investigada a dopagem intrínseca e extrínseca das camadas de óxido de tântalo em dispositivos RS. Películas finas de óxido de tântalo puro e Zr-doped foram preparadas por deposição laser pulsada (PLD) e caracterizadas por microscopia de força atômica (AFM), Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), e elipsometria espectroscópica (SE) para avaliar a morfologia da superfície, espessura dos filmes, estequiometria, estrutura eletrônica, e presença de defeitos. As películas puras e dopadas com Zr eram amorfas e tinham uma superfície lisa. A análise por elipsometria revela que a adição de Zr promove uma absorção ótica no sub-gap que pode ser associada com o aumento da concentração de vacâncias de oxigênio. Nas películas de óxido de tântalo puro, um efeito semelhante pode ser alcançado reduzindo a pressão parcial de oxigênio durante a deposição. Os dispositivos RS foram microfabricados por fotolitografia utilizando arquiteturas do tipo dog-bone e eletrodo de fundo comum. A resposta do dispositivo foi analisada utilizando um modelo hopping de transporte eletrônico que permite determinar a concentração de defeitos (armadilhas), que deve ser proporcional à concentração de vacâncias de oxigênio. Tal análise confirma os resultados do SE que a dopagem Zr promove a formação de vacâncias. A parametrização elétrica sistemática mostra que os dispositivos dopados com Zr são mais fiáveis, têm uma maior janela de resistência, maior rendimento, e menor tensão de formação, que pode ser atribuída a efeitos de dopagem no confinamento do filamento e formação de vacância de oxigênio. Este estudo sugere que a dopagem com Zr do memristor de óxido de tântalo é uma estratégia de engenharia de vacância promissora para melhorar o desempenho do memristor.

dispositivos de chaveamento resistivo;óxido de tântalo;memristor;filmes finos;deposição por laser pulsado;dopagem;dispositivos neuromórficos;vacância de oxigênio
Resistive switching (RS) devices (memristors) based on ionic carriers have attracted attention due to their simple structure (only two terminals), low energy consumption, high scalability, endurance, and possibility of novel computing architectures. However, variability is still a limiting factor for RS applications. In oxidebased RS devices, the reversible change (switching) in the resistance of a thin dielectric layer results from movement of oxygen vacancies induced by high electric fields. To reduce variability, better understating and control of oxygen vacancy formation and movement is paramount. In this work, the intrinsic and extrinsic doping of tantalum oxide layers in RS devices was investigated. Pure and Zr-doped tantalum oxide thin films were prepared by pulsed laser deposition (PLD) and characterized by atomic force microscopy (AFM), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and spectroscopic ellipsometry (SE) to evaluate surface morphology, film thickness, stoichiometry, electronic structure, and presence of defects. The pure and Zr-doped films were amorphous and had smooth surface. SE reveals that Zr addition promotes a sub-gap optical absorption that can be associated with increased concentration of oxygen vacancies. In pure tantalum oxide films, a similar effect can be achieved by reducing the oxygen partial pressure during deposition. RS devices were micropatterned by photolithography using dog-bone and common bot contact architectures. The device response was analyzed using an electronic hopping transport model that enables determination of defect (trap) concentration, which should be proportional to the O vacancy concentration. Such analysis confirms the SE results that that Zr doping promotes O vacancy formation. Systematic electrical parametrization shows that Zr-doped devices are more reliable, have a higher resistance window, higher yield, and lower forming voltage, which might be ascribed to doping effects on filament confinement and oxygen vacancy formation. This study suggests that Zr doping of tantalum oxide memristor is a promising vacancy engineering strategy to tune memristor performance
resistive switching devices;tantalum oxide;thin films;pulsed laser deposition;doping;neuromorphic devices;oxygen vacancy
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INGLES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS
NANOCIÊNCIA E NANOTECNOLOGIA
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Banca Examinadora

ANDRE SANTAROSA FERLAUTO
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
ANDRE SANTAROSA FERLAUTO Docente - PERMANENTE
ALEXANDRE JOSE DE CASTRO LANFREDI Docente - COLABORADOR
EVERTON BONTURIM Participante Externo

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
FUND COORD DE APERFEICOAMENTO DE PESSOAL DE NIVEL SUP - Programa de Demanda Social 18

Vínculo

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Sim