[論文レビュー] Space Charge Limited Current with Self-heating in Pr$_{0.7}$Ca$_{0.3}$MnO$_3$ based RRAM

Indranil Chakraborty, Neeraj Panwar+2 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、従来のトラップ充満限界（TFL）モデルが捉えきれない、Pr0.7Ca0.3MnO3ベースのRRAMにおける急激な電流上昇を説明するため、自己加熱に起因する熱的ランアウェイを組み込んだ浅いトラップ空間電荷制限電流（SCLC）モデルを提案する。25–125 °Cの範囲での実験およびTCADシミュレーションにより、4つの明確な電流伝導メカニズムが確認され、自己加熱が非線形的電流の急増の主因であることが示され、RRAMの定量的設計に堅牢なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Space Charge Limited Current (SCLC) based conduction has been identified for PCMO-based RRAM devices based on the observation that $I \propto V^α$ where $α\approx 2$. A critical feature of the IV characteristics is a sharp rise in current ($α\gg 2$) which has been widely attributed to trap-filled limit (TFL) followed by an apparent trap-free SCLC conduction. In this paper, we show by TCAD analysis that trap-filled limit (TFL) is insufficient to explain the sharp current rise ($α\gg 2$). As an alternative, we propose a shallow trap SCLC model with selfheating effect based thermal runaway to explain the sharp current rise followed by a series resistance dominated regime. Experimental results over a range of 25°C-125°C demonstrate all 4 regimes (i) Ohmic ($α= 1$), (ii) shallow trap SCLC ($α\approx 2$), (iii) current shoot up ($α\gg 2$) and (iv) series resistance ($α= 1$). Further, TCAD simulations with thermal modeling are able to match the experimental IV characteristics in all the regimes. Thus, a current conduction mechanism in PCMO-based RRAM supported by detailed TCAD model is presented. Such a model is essential for further quantitative understanding and design for PCMO-based RRAM.

研究の動機と目的

• PCMOベースのRRAMにおける観察された急激な電流上昇（α ≫ 2）と従来のトラップ充満限界（TFL）モデルとの乖離を解消すること。
• 特にTFL予測をはるかに上回る電流スパイクを引き起こす非線形IV特性の物理的メカニズムを特定すること。
• 熱的効果を組み込んだTCADベースのモデルを構築し、温度全域における実験的IV挙動を定量的に再現すること。
• オーム、浅いトラップSCLC、電流急増、および直列抵抗支配の4つの観察された伝導メカニズムを説明する包括的な伝導メカニズムを提供すること。

提案手法

• PCMOベースのRRAMデバイスに対して25 °Cから125 °Cの温度依存的I-V測定を実施する。
• 累乗則フィッティングを用いて指数αを抽出し、明確な伝導メカニズムの区別を行う。
• 電気的および熱的モデリングを統合したTCADシミュレーションフレームワークを構築し、デバイス挙動をシミュレートする。
• 自己加熱を組み込んだ浅いトラップSCLCモデルを導入し、急激な電流上昇（α ≫ 2）を説明する。TFL仮定に代わるものである。
• 全温度領域におけるシミュレートされたI-V曲線と実験データを比較し、モデルの妥当性を検証する。
• 自己加熱に起因する熱的ランアウェイを、電流急増の主因とし、温度依存的測定により裏付けられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜPCMOベースのRRAMにおける電流はα ≫ 2の急激な上昇を示すのか。これはトラップ充満限界（TFL）モデルの予測と矛盾する。
• RQ2 深層トラップが存在しない状況でも、自己加熱効果は観察された電流急増を説明できるか。
• RQ3 温度変化に伴い、オーム、浅いトラップSCLC、電流急増、直列抵抗支配の4つの明確な伝導メカニズムはどのように発生するのか。
• RQ4 熱的結合を有するTCADシミュレーションは、PCMO RRAMにおける実験的IV特性をどの程度正確に再現できるか。
• RQ5 電流急増メカニズムは、トラップのダイナミクスよりも熱的ランアウェイによってより適切に説明できるか。

主な発見

• 25–125 °Cの温度範囲における実験的I-V特性は、明確に4つの異なる領域を示す：オーム領域（α ≈ 1）、浅いトラップSCLC（α ≈ 2）、急激な電流上昇（α ≫ 2）、直列抵抗支配領域（α ≈ 1）。
• 自己加熱を組み込んだTCADシミュレーションは、4つのすべての領域を正確に再現し、モデルの有効性を確認した。
• 急激な電流上昇（α ≫ 2）は、従来のTFLモデルでは説明できない。TFLモデルは、上昇の大きさとダイナミクスを予測できない。
• 自己加熱に起因する熱的ランアウェイが、電流急増の主因であると特定され、温度依存的測定により裏付けられた。
• 熱フィードバックを組み込んだ浅いトラップSCLCモデルは、温度全域における全I-V挙動を一貫的かつ定量的に説明できる。
• 提案されたモデルは、将来のPCMOベースのRRAMデバイスの設計および最適化のための堅牢な基盤を提供する。