LixCoO₂-based thin films and devices for potential application to nonvolatile resistive memories
Films minces et dispositifs à base de LixCoO₂ pour application potentielle aux mémoires résistives non volatiles
Résumé
Flash memory is now extensively used as non-volatile memory for digital data storage in most mobile electronic devices (laptop, mobile phone, tablet...). To overcome its current limits (e.g. low information density, low endurance and slow speed), many researches recently developed around the concept of resistive memories based on the switching between different resistance levels by applying appropriate bias voltages.Memories whose resistance variations depend on electrochemical reactions (ReRAM) are potentially good candidates towards next-generation non-volatile memories. The underlying redox mechanisms observed are however often of the filamentary type, involving in particular migration of cations of metal elements (coming from the electrodes), or oxygen vacancies. This filamentary character makes it challenging to attain extreme downscaling towards the nanometric scale.In this thesis, a particular class of materials - used in the field of energy storage - is studied. The aim is to investigate the origin of the resistance switching processes observed in LixCoO2 films. We first characterize the structural and electrical properties of such films, as well as the electrical behaviors of the devices elaborated therefrom. We then investigate the electrochemical mechanisms which are at the origin of resistive switching, in the micrometric electrode/film/electrode configuration. We try to determine the validity of a formerly proposed mechanism which was however not yet demonstrated. Furthermore, we study the experimental switching kinetics of devices, and propose a numerical model to explain the results observed. Finally, we examine the potential applicability of LixCoO2-based devices to Re-RAM memories through the study of their performances in terms of endurance (i.e. maximum number of write/erase cycles) and retention. Specifically, the influence of several parameters (such as voltage pulses, chemical nature of the electrodes, temperature etc.) on these performances is investigated.
La mémoire Flash est actuellement extrêmement utilisée en tant que mémoire non volatile pour le stockage des données numériques dans presque tout type d'appareil électronique nomade (ordinateur portable, téléphone mobile, tablette, …). Pour dépasser ses limites actuelles (densité d'informations, endurance, rapidité), un grand nombre de recherches se développent notamment autour du concept de mémoires résistives qui repose sur la commutation entre différents niveaux de résistance, via l'application d'une tension.Les mémoires dont la variation de résistance dépend de réactions électrochimiques (ReRAM) sont potentiellement de bonnes candidates pour les mémoires non volatiles de prochaine génération; les mécanismes d'oxydo-réduction impliqués sont cependant souvent de type filamentaire, mettant notamment en jeu des migrations de cations d’éléments métalliques (provenant des électrodes), ou de lacunes d’oxygène. Ce caractère filamentaire rend difficilement atteignable la miniaturisation extrême, à l’échelle nanométrique.Dans cette thèse, une classe de matériaux particulière -utilisée dans le domaine du stockage d'énergie- est étudiée. L’objectif est d’approfondir l’origine des processus de commutation de résistance observés sur des films de LixCoO2. Nous caractérisons d'abord les propriétés structurales et électriques de tels films, ainsi que le comportement électrique des dispositifs élaborés à partir de ces films. Nous étudions ensuite les mécanismes électrochimiques qui sont à l’origine des commutations résistives, dans la configuration d’un contact micrométrique électrode/film/électrode. Nous cherchons à déterminer la validité d’un mécanisme qui avait été proposé auparavant, mais non démontré. Nous étudions également la cinétique de commutation des dispositifs, et proposons un modèle numérique permettant d’expliquer les résultats expérimentaux observés. Enfin, nous étudions l’applicabilité potentielle des dispositifs (intégrant les films de LixCoO2) aux mémoires Re-RAM au travers de leurs performances en termes d’endurance (nombre maximum de cycles d’écriture/effaçage), et de stabilité. En particulier, nous étudions l’influence de plusieurs paramètres (impulsions de tension, nature des électrodes, température et c…) sur ces performances.
Origine : Version validée par le jury (STAR)