[논문 리뷰] Space Charge Limited Current with Self-heating in Pr$_{0.7}$Ca$_{0.3}$MnO$_3$ based RRAM

Indranil Chakraborty, Neeraj Panwar외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 27.

Advanced Memory and Neural Computing인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 기존의 트랩 채운 한계(TFL) 모델이 포착하지 못하는 프라세오디뮴 켈슘 망간산염(Pr0.7Ca0.3MnO3) 기반 RRAM에서의 급격한 전류 상승 현상을 설명하기 위해 자기가열에 기인한 열적 비상승(thermal runaway)을 고려한 얕은 함정 공간 전하 한계 전류(SCLC) 모델을 제안한다. 25–125 °C 범위에서의 실험 및 TCAD 시뮬레이션을 통해 네 가지 구분되는 도핑 메커니즘을 확인하였으며, 이는 비선형 전류 급증의 주요 원인이 자기가열임을 입증하며, 정량적 RRAM 설계를 위한 견고한 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• PCMO 기반 RRAM에서 관측된 급격한 전류 상승(α ≫ 2)과 기존의 트랩 채운 한계(TFL) 모델 간의 괴리 현상을 해결하기 위해.
• 특히 TFL 예측을 초월하는 전류 스파이크를 유도하는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 온도 변화에 따른 실험적 I-V 거동을 정량적으로 재현할 수 있도록 열적 영향을 통합한 TCAD 기반 모델을 개발하기 위해.
• 오옴, 얕은 함정 SCLC, 전류 급증, 시리즈 저항 지배 행동을 포함한 네 가지 관측된 도핑 메커니즘을 설명하는 종합적인 전도 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• PCMO 기반 RRAM 소자를 대상으로 25 °C에서 125 °C까지 온도 의존적 I-V 측정을 수행한다.
• 전력 법칙 피팅을 통해 지수 α를 추출하고, 이를 바탕으로 구분되는 도핑 메커니즘을 식별한다.
• 전기적 및 열적 모델링을 통합한 TCAD 시뮬레이션 프레임워크를 구현하여 소자의 거동을 시뮬레이션한다.
• 자기가열을 고려한 얕은 함정 SCLC 모델을 도입하여 급격한 전류 상승(α ≫ 2)을 설명하며, TFL 가정을 대체한다.
• 모든 온도 영역에서 시뮬레이션된 I-V 곡선을 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.
• 온도 의존 측정을 통해 확인된 자기가열에 기인한 열적 비상승을 전류 급증의 핵심 원인으로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 PCMO 기반 RRAM에서 전류가 α ≫ 2로 급격히 상승하는가? 이는 트랩 채운 한계(TFL) 모델의 예측와 정면으로 배치된다.
• RQ2 깊은 함정이 존재하지 않는 조건에서 자기가열 효과가 관측된 전류 급증을 설명할 수 있는가?
• RQ3 온도 변화에 따라 오옴, 얕은 함정 SCLC, 전류 급증, 시리즈 저항 지배 행동이라는 네 가지 명확히 구분되는 도핑 메커니즘이 어떻게 발생하는가?
• RQ4 열적 결합을 고려한 TCAD 시뮬레이션은 PCMO RRAM에서 실험적 I-V 거동을 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 소자의 전류 급증 메커니즘은 트랩 동역학보다는 열적 비상승에 의해 더 잘 설명되는가?

주요 결과

• 25–125 °C 범위에서의 실험적 I-V 거동은 명확히 네 가지 구분되는 도핑 메커니즘을 보이며, 각각 오옴(α ≈ 1), 얕은 함정 SCLC(α ≈ 2), 급격한 전류 상승(α ≫ 2), 시리즈 저항 지배(α ≈ 1)이다.
• 자기가열을 통합한 TCAD 시뮬레이션은 네 가지 도핑 메커니즘을 성공적으로 재현하여 모델의 타당성을 확인한다.
• 급격한 전류 상승(α ≫ 2)은 기존의 TFL 모델로는 설명될 수 없으며, 이 모델은 급증의 크기와 동역학을 예측하지 못한다.
• 자기가열에 기인한 열적 비상승이 전류 급증의 주요 메커니즘으로 규명되었으며, 이는 온도 의존 측정을 통해 뒷받iesen된다.
• 열 피드백를 포함한 얕은 함정 SCLC 모델은 온도 변화 전역에서 전체 I-V 거동을 일관적이고 정량적으로 설명할 수 있다.
• 제안된 모델은 향후 PCMO 기반 RRAM 소자의 설계 및 최적화를 위한 견고한 기반을 제공한다.