ReRAM-Simulation mittels kinetischer Monte-Carlo-Methode
Redox-basiertes resistives RAM (ReRAM) gilt gegenwärtig als sehr vielversprechender Kandidat für die Verwendung als nichtflüchtiger Speicher, da es in allen relevanten Kategorien (Geschwindigkeit, Haltbarkeit, Datendichte und Energieeffizienz) herausragende Eigenschaften verspricht und darüber hinaus mit der CMOS-Technologie kompatibel ist.
Die Bauelemente besitzen eine sehr einfache MIM-Struktur (metal-insulator-metal), bei der sich ein Oxid zwischen zwei Elektroden befindet. Durch einen abrupten Schaltvorgang kann das isolierende Oxid in einen leitfähigen Zustand übergehen. Es wird zwischen unipolarem und bipolarem ReRAM unterschieden. Bei unipolarem ReRAM wird der Übergang in den leitfähigen und in den isolierenden Zustand mit Spannungen derselben Polarität erzielt, bei bipolarem ReRAM hängt die Art des Übergangs von der Polarität der Schaltspannung ab.
Das Schaltverhalten hängt stark von der Wahl des Oxids und der Elektrodenmaterialien ab. Es exisitiert eine große Zahl von Materialien, die resistives Schaltverhalten zeigen, wobei einfachen Metalloxiden aufgrund hoher Schaltgeschwindigkeiten, geringer Leistungsaufnahme und niedriger Kosten besondere Bedeutung zukommt. HfO2 ist aufgrund ausgereifter Depositionsprozesse und guter Skalierbarkeit eines der am häufigsten verwendeten Materialien.
Dem Schaltvorgang in ReRAM können verschiedene Mechnismen zugrunde liegen: elektrochenische Mechanismen (ECM), Änderungen von Valenzzuständen (valence change mechanism – VCM) und thermochemische Mechanismen (TCM).
Wir konzentrieren uns auf den VCM-Vorgang, der auf der Migration von Sauerstofffehlstellen beruht und bipolares Schaltverhalten zeigt. VCM-basierte Schaltvorgänge beruhen auf der Bildung und der Trennung von leitfähigen Filamenten (conductive filaments - CFs), die durch Sauerstofffehlstellen und damit einhergehende Valenzübergänge der Metallatome hervorgerufen werden.
Obwohl die Grundprinzipien der Schaltvorgänge in Metalloxiden bereits identifiziert sind, fehlt es an einer hinreichend genauen mikroskopischen Beschreibung der CF-Eigenschaften und des Schaltverhaltens. Im laufenden Projekt werden die CF-Eigenschaften von HfO2-basierten Speicherzellen mittels der kinetischen Monte-Carlo-Methode (KMC-Methode) auf der Nanometerskala untersucht. Die KMC-Methode ist ein numerisch effizienter Ansatz, welcher der stochastischen Natur von ReRAM-Zellen gerecht wird und ihr dynamisches Verhalten auf experimentell relevanten Zeit- und Längenskalen beschreibt. Zwecks einer erfolgreichen Simulation berücksichtigt unser Modell Volumen- wie auch Grenzflächeneffekte.
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