Transport and switching in chalcogenide-based select devices

The revolutionary advances in the semiconductor technologies so far led an impressive transformation especially in the information technologies which also transformed many fields as well as our daily lives. Day by day, the amount of data that is processed and delivered in many fields gets larger and larger with the applications such as cloud sourcing for smart grid applications or like the huge amount of data that is processed in Large Hadron Collider(LHC) experiments and analyses and so on. Hence the necessity for faster, smaller so that denser, efficient, compatible with nanotechnology manufacturing technologies, and of course cost-effective memory technologies becomes inevitable considering the fact that memories are one of the fundamental elements of many computing systems along with processors to account for this larger and faster data tackling issues of nowadays. Since the leading technology in the markets which is flash memories began to reach a bottleneck in terms of scaling, many both industrial and academic efforts put through to overcome this scaling issues compatible with nanoscale physics and manufacturing technologies and at this point, the emerging non-volatile technologies particularly phase change memories (PCMs) along with RRAM and STT-RAM etc rise as the candidate to tackle these technological demands. In the quest for denser memories, 3D crossbar arrays are one of the solutions; however, the crucial factor needs to be taken into account is that the structure of these novel memory technologies which is having a 2-terminal structure. Moreover, all of these NVM candidates need to assess a critical feature which has a strong nonlinearity in the current-voltage (I-V) characteristics to be able to select any cell in the crossbar arrays to avoid sneak path current leakages comes from the unselected memory cells so that to provide an accurate reading and writing. To meet this nonlinearity requirement, one way is to have another second 2-terminal device such as a diode, a switch, or a similar element in series with each memory element so that these leakages can be tackled. The physics behind the operation of such select devices (SDs) needs to be understood fully to be able to propose efficient design solutions to this issue. Accordingly, the research topic of this thesis is to understand better the physical phenomena responsible from particularly subthreshold conduction before the threshold switching and the threshold switching mechanism itself which is the key phenomenon in the device functionality. That’s why, in this research both experimental and theoretical studies were done to assess the electrical characteristics of cantilever samples of the select devices which are based on amorphous chalcogenide glasses in 1T1R structure crossbar arrays. As reported in the second chapter, current – voltage characteristics of both DC and AC modes and also the electrical field-induced drift phenomenon of the voltage of SDs were studied experimentally and then in the third chapter two competitive analytical models, for both first fire and second fire I – V characteristics of SDs that were measured, were presented to account for the transport phenomenon in amorphous materials (e.g. chalcogenide glasses) and particularly threshold switching mechanism which is the sudden increase in conduction at a critical applied electric field.

I rivoluzionari miglioramenti nell’ industria dei semiconduttori finora hanno condotto a una notevole trasformazione specialmente in molte tecnologie che hanno permesso un crescente uso dell’elettronica nella vita di tutti i giorni. Giorno dopo giorno, la quantità di dati che sono analizzati e trasmessi in molti campi inizia a diventare sempre maggiore con applicazioni come il Cloud Computing o per esperimenti nel Cern di Ginevra (Large Hadron Collider). Perciò la necessità per memorie più veloci, piccole, dense ,efficienti, a basso costo e compatibili a livello di processo con gli standard delle industrie a semiconduttore diventa inevitabile considerando il fatto che esse sono uno degli elementi fondamentali in molti sistemi di computing insieme ai processori per codificare grandi quantità dati in maniera veloce affrontando quindi una delle maggiori attuali problematiche. Dal momento che la tecnologia Flash, che risulta essere la più importante all’interno del mercato delle memorie, inizia a scontrarsi coi limiti di scaling , la ricerca in ambito industriale ed accademico si sta sforzando di superare queste problematiche compatibilmente con i limiti della fisica e delle tecnologie di processo, e allo stato attuale come soluzione sono state proposte nuove memorie non volatili emergenti come ad esempio le memorie a cambiamento di fase (PCM), le memorie resistive (RRAM) e le memorie magnetiche (STT-RAM). Nell’ottica di avere memorie più dense, gli array crossbar 3D sono una delle soluzioni; tuttavia un fattore importante che deve essere tenuto in considerazione è che la struttura di questa nuove architettura per questa nuova tecnologia di memorie risulta essere a 2 terminali di accesso, senza quindi la presenza di transistor (a 3 terminali). Inoltre, tutti i dispositivi di selezione all’interno degli array crossbar hanno bisogno di soddisfare i requisiti in termini di una forte non linearità nelle caratteristiche IV( corrente-tensione) per essere in grado di selezionare ogni cella all’interno degli array crossbar per evitare correnti di perdita indesiderate da celle di memoria non selezionate in modo tale da permettere accurate operazioni di lettura e scrittura. L’unico modo per ottenere queste proprietà è quello di avere un dispositivo a 2 terminali come un diodo o uno switch o comunque un elemento simile in serie ad ogni elemento di memoria in modo tale che le correnti di perdita possano essere minimizzate. La fisica dietro l’operazione di questi selettori di memoria necessita di essere approfondita per essere in grado di proporre efficienti soluzioni in termini di design per risolvere queste problematiche. Con questo scopo, lo scopo della tesi è quello di comprendere la fisica del dispositivo, per spiegare come avviene la conduzione sottosoglia prima dello switching a soglia e il meccanismo di switching a soglia stesso che è un fenomeno chiave nel funzionamento del dispositivo. In questa direzione, nella ricerca sono stati portati avanti sia studi sperimentali che teorici per valutare le caratteristiche elettriche del campioni con struttura a cantilever di selettori basati su materiali calcogenuri allo stato amorfo in strutture 1T1R all’interno di crossbar array. Nel secondo capitolo sono state studiate le caratteristiche IV in regime impulsato (AC) e in continua (DC) e anche il fenomeno del drift indotto dal campo elettrico della tensione di soglia del dispositivo, mentre nel terzo sono stati sviluppati due diversi modelli analitici per le caratteristiche IV di FF e SF del dispositivo misurate sperimentalmente. Grazie ad essi è stato possibile spiegare il fenomeno del trasporto in materiali amorfi (come ad esempio i calcogenuri) e il meccanismo dello switching a soglia che è responsabile di un repentino aumento nella conduzione ad un determinato campo elettrico critico.