From growth to device integration: tellurium-based 2D materials for resistive switching memory devices

Tellurium-based 2D materials, including MoTe₂ and elemental Te, have significant potential for next-generation electronic applications due to their unique structural, electrical, and optoelectronic properties. These materials are also suited for RS memory devices and neuromorphic computing. However, the scalability and integration of these materials into functional devices are still a challenge, which concerns controlled growth, high device yield, and low power consumption. This thesis covers the growth, characterization, and integration of Te-based 2D materials toward RS device applications. Advanced vapor-phase synthesis techniques were employed to develop scalable growth protocols for high-quality thin films. Material phase, morphology, and thickness were given special attention. For instance, the tilt of substrates during the CVD growth enabled the precise control of phases between 1T' and 2H phases of MoTe₂; optimized parameters of VTD enabled ultra-thin tellurium films on conductive substrates at low temperatures. Compatible with back-end-of-line (BEOL) processing. To evaluate these materials for device applications, detailed functional characterizations were performed. Nanoscale techniques, such as C-AFM and Kelvin-probe force microscopy, provided insights into the electrical properties of these materials at the nanoscale. All these studies illustrated that the ultra-thin Te films, directly grown on Au substrates, outperform their RS behaviors when transferred or even grown onto TaN substrates. In the device integration phase, planar memristor configurations were fabricated to assess the RS performance of tellurium films. Thicker films (15 nm) showed superior stability and yield compared to thinner tellurium films. To overcome limitations like electrical crosstalk in planar devices, isolated cross-point memristor architectures were developed. These devices exhibited high on/off ratios and multilevel retention, illustrating a route toward scalable and low-power memory applications. This thesis provides a comprehensive foundation for integrating tellurium-based RS devices into next-generation electronics. It has presented an overview of the potential of such materials in energy-efficient memory technologies by addressing challenges related to material growth, functional characterization, and device architecture. Further optimization of device configurations and material interfaces might be necessary for their widespread use in nanoscale electronics.

I materiali bidimensionali a base tellurio, tra cui MoTe₂ e Te elementare, hanno un potenziale significativo in applicazioni elettroniche di nuova generazione grazie alle loro uniche proprietà strutturali, elettriche e optoelettroniche. Questi materiali sono anche promettenti per dispositivi di memoria basati sull’effetto di switching resistivo (RS) nell’ambito del calcolo neuromorfico. Tuttavia, la loro scalabilità e integrazione in dispositivi funzionali nasconde ancora delle sfide tecnologiche, che riguardano la crescita controllata dei materiali, l'ottenimento di un elevato rendimento e la riduzione del consumo energetico dei dispositivi. In questa tesi si studia la crescita, la caratterizzazione e l'integrazione di materiali bidimensionali a base di Te per applicazioni in dispositivi RS. Sono state impiegate tecniche di sintesi in fase vapore per sviluppare protocolli di crescita scalabili per film sottili di alta qualità. Particolare attenzione è stata rivolta al controllo della fase allotropica del materiale sintetizzato, alla sua morfologia e al controllo dello spessore. Ad esempio, attraverso una strategia che prevede una inclinazione controllata dei substrati durante la crescita per deposizione chimica da fase vapore (CVD), si è riusciti ad ottenere una sintesi controllata di film bidimensionali di MoTe₂ nelle sue fasi 1T' o 2H. Allo stesso modo, usando una deposizione a trasporto di vapore (VTD) ottimizzata, sono stati sintetizzati film ultrasottili di tellurio su substrati conduttivi a temperature così basse da essere compatibili con gli standard dei processi e lavorazioni industriali back-end-of-line (BEOL). Al fine di valutare i materiali sintentizzati per integrazione nei dispositivi, si è fatto uso di tecniche di caratterizzazione funzionali basate sulla microscopia a forza atomica (AFM) in configurazione conduttiva (C-AFM) e Kelvin-probe. Grazie a queste tecniche si è riusciti ad ottenere informazioni dettagliate sulle proprietà elettriche di questi materiali a livello nanometrico. Uno dei risultati più significativi dello studio è stato dimostrare che il comportamento RS dei film ultra-sottili di Te cresciuti direttamente su substrati di Au ha tensioni di soglia inferiori e figure di merito più interessanti di quelle mostrate dai film di tellurio cresciuti su altri substrati conduttivi (TaN) o su substrati dielettrici e poi trasferiti su un elettrodo di supporto. Questo risultato suggerisce un ruolo principale dell’oro utilizzato sia come substrato di crescita che come elettrodo nella configurazione di misura C-AFM. Grazie anche ad una indagine di microscopia elettronica a trasmissione (TEM), è stato dimostrato che all’interfaccia oro e tellurio si verifica un intermixing dei due materiali durante la fase di crescita caratterizzato da interdiffusione degli atomi di oro nel film di tellurio. Nella fase di integrazione del dispositivo, sono state fabbricate configurazioni planari di memristor per valutare le prestazioni RS dei film di tellurio. I film più spessi (15 nm) hanno mostrato una stabilità e una resa superiori rispetto ai film di tellurio più sottili. Per superare limitazioni come il crosstalk elettrico nei dispositivi planari, sono state sviluppate configurazioni isolate di memristor nella architettura crosspoint. Questi dispositivi hanno mostrato prestazioni e figure di merito (rapporti on/off di corrente, ritenzione multilevel, endurance, valori di tensione di soglia, ecc...) in linea con le soluzioni tecnologiche più standard e mature, dimostrando di essere candidati promettenti per applicazioni di memoria scalabili e a basso consumo energetico. In conclusione, questa tesi fornisce uno studio innovativo finalizzato all'integrazione dei dispositivi RS a base di tellurio bidimensionale nell'elettronica di nuova generazione. Ha presentato una panoramica del potenziale di tali materiali nelle tecnologie di memoria a basso consumo energetico affrontando le sfide relative alla crescita del materiale, alla caratterizzazione funzionale e all'architettura del dispositivo. Lo studio preliminare presentato in questo elaborato richiede un'ulteriore ottimizzazione delle configurazioni dei dispositivi e delle interfacce dei materiali per maggiormente comprendere i meccanismi alla base del comportamento di RS e promuovere l’utlizzo di queste soluzioni in nanoelettronica.