Modelling of memristive devices for bio-inspired computing

Resistive random access memories (RRAMs) constitute a group of memristive devices which have been recently begun to be employed in a series of novel computational schemes inspired by the biology, e.g., neuromorphic computing systems. The general structure of a RRAM device consists in an insulator layer placed between two metal electrodes. The operating principle of such devices relies in the resistive switching between a high resistance state and a low resistance state, due to the formation and dissolution of a conductive filament (CF), which is formed by oxygen vacancies in anion-based devices, or metallic cations in cation-based devices. The aim of this thesis is to present the results of the research activity pursued during the Ph.D., which dealt with the development of physical-based models and their numerical implementation for both anion- and cation- based RRAMs. In particular: (i) a compact (0D) model for HfOx anion-based devices has been developed which reproduces the devices operative analog behaviour under train of programming pulses; (ii) a 2D-FEM model for cation-based devices has been developed and implemented in C++, which adopts a morphological approach to describe the metallic CF formation and dissolution. The model makes use of a level-set approach enriched by a mesh adaptation strategy to accurately and efficiently track the evolution of the filament shape. Both the models have been shown to be consistent with the experimental behaviour and provided a tool to obtain a better insight of the physical mechanisms which governs the working principles of the investigated devices.

Le memorie resistive ad accesso casuale (RRAM) costituiscono una classe di memristori che hanno trovato recente applicazione in una serie di schemi computazionali innovativi ispirati alla biologia, tra i quali i sistemi neuromorfici di calcolo. La struttura di un dispositivo RRAM consiste generalmente in uno strato isolante posizionato tra due elettrodi metallici. Il principio di funzionamento di tali dispositivi si basa sulla commutazione resistiva tra uno stato di alta resistenza e uno di bassa resistenza, dovuta alla formazione e alla dissoluzione di un filamento conduttivo (FC), formato da lacune di ossigeno in dispositivi "anion-based", o da cationi metallici in dispositivi "cation-based". Lo scopo di questa tesi è quello di presentare i risultati dell'attività di ricerca svolta durante il percorso di dottorato, che ha avuto come oggetto lo sviluppo e l'implementazione numerica di modelli fisici di RRAM anion-based e cation-based. In particolare, sono stati sviluppati due modelli: (i) un modello compatto (0D) per dispositivi anion-based basati sull'ossido HfOx, che ne riproduce il comportamento analogico in regime di programmazione impulsato; (ii) un modello 2D-FEM per dispositivi cation-based, che adotta un approccio morfologico per descrivere la formazione e la dissoluzione del FC metallico. Tale modello utilizza un metodo di level-set arricchito da una strategia di adattazione di mesh per tracciare con precisione ed efficienza computazionale l'evoluzione della forma del filamento. I risultati ottenuti con entrambi i modelli si dimostrano coerenti con il comportamento sperimentale, mentre i modelli stessi rappresentano uno strumento utile ad ottenere una migliore comprensione dei meccanismi fisici che governano i principi di funzionamento dei dispositivi studiati.