Riassunto analitico
In questa tesi investighiamo le proprietà di trasporto di carica di materiali calcogenuri a transizione di fase utilizzati per applicazioni di memoria. Affrontiamo il problema su due livelli. Da un punto di vista teorico, studiamo il trasporto in celle di memoria di calcogenuro amorfo tramite simulazioni basate su uno schema di conduzione limitata da trappole a portatori caldi, secondo approcci sia quasi-monodimensionale che tridimensionale. Dal lato sperimentale, caratterizziamo il comportamento elettrico e analizziamo le prestazioni di prototipi innovativi di memorie a calcogenuro con contatti basati sul grafene.
Tramite il modello compatto quasi-monodimensionale, possiamo predire le curve corrente-tensione intrinseche di dispositivi lunghi nell'ordine di alcune decine di nanometri, comprendendo anche il comportamento di commutazione per alti campi elettrici. Per ogni punto della curva, il modello fornisce anche informazioni sulla distribuzione di popolazione dei portatori, della loro energia e del potenziale elettrico lungo il dispositivo. Infine, permette di studiare la dipendenza del comportamento del dispositivo dalla densità di stati localizzati nella banda di energie proibite.
Il modello tridimensionale assume una situazione fisica simile, e la traspone su una rete di nodi casualmente distribuiti, rappresentativi di stati localizzati, all'interno di un dominio prismatico. Equazioni di bilancio vengono scritte per ogni nodo relativamente ai flussi di carica ed energia, e risolte assieme all'equazione di Poisson in condizioni stazionarie. Il modello descrive correttamente le curve corrente-tensione di dispositivi amorfi e permette di tenere conto della loro natura intrinsecamente casuale, tramite la statistica derivante da diverse generazione casuali della rete. Viene inoltre presentato uno studio microscopico dei processi di switching elettronico e di cristallizzazione.
Sperimentalmente, riportiamo la caratterizzazione elettrica di dispositivi di memoria a calcogenuro con contatti basati sul grafene. Due architetture principali sono esplorate, ovvero da una parte nanostrisce di grafene separate da un taglio, coperto da una regione rettangolare di calcogenuro, e dall'altra strisce di grafene di micron di larghezza separate da un taglio e ricollegate da un nanofilo di calcogenuro. In entrambi i casi l'intersezione tra la zona del taglio ed il calcogenuro costituisce la regione attiva. Studiamo il comportamento elettrico di questi dispositivi, estraendo parametri chiave come le tensioni di soglia, il rapporto tra le resistenze in fase amorfa e cristallina e le resistività di contatto. Infine, evidenziamo le prospettive più promettenti in termini di scalabilità e prestazioni, ed indichiamo alcune questioni aperte riguardanti la fabbricazione.
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Abstract
In this thesis we investigate the charge transport properties of chalcogenide phase-change materials used for memory applications. We tackle the problem on two levels. From a theoretical point of view, we study transport in amorphous chalcogenide memory cells by means of simulations based on a hot-carrier trap-limited conduction scheme, in both a quasi-1D and a 3D approach. On the experimental side, we characterize the electrical behavior and analyze the performances of novel graphene-contacted chalcogenide memory prototypes.
Through the compact quasi-one-dimensional model, we predict the intrinsic current-voltage curves for devices with length of the order of tens of nanometers, including the switching behavior at high electric field. For each point in the curve, the model also provides insight into the distribution of carrier population, carrier energy and electric potential along the whole device length. Finally, it allows to study the dependence of the device behavior on the density of localized states within the bandgap.
The three-dimensional model assumes a similar physical pictures, and maps it to a network of randomly placed nodes, representing localized states, inside a prismatic domain. Balance equations are written at each node for charge and energy fluxes, and solved together with the Poisson equation for steady-state conditions. The model correctly describes current-voltage curves of amorphous devices and allows to account for their intrinsic random nature, through the statistics resulting from several random network generations. A microscopic study of the onset of the electronic switching and the crystallization processes is also presented.
Experimentally, we report the electrical characterization of chalcogenide memory devices with graphene-based contacts. Two main architectures are explored, namely graphene nanoribbons with a gap, covered with a chalcogenide rectangular region, and micron-wide graphene ribbons with a gap bridged by a chalcogenide nanowire, with the chalcogenide-gap intersection being the active region in both cases. We study the electrical behavior of these devices, extracting key parameters such as threshold voltages, amorphous-to-crystalline resistance ratios and contact resistivities. Finally, we highlight the most promising outlooks in terms of scalability and performances, and point out some open issues regarding fabrication.
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