[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种具有自加热引起的热失控效应的浅陷阱空间电荷限制电流（SCLC）模型，以解释Pr0.7Ca0.3MnO3基RRAM中电流急剧上升的现象，该现象是传统陷阱填充极限（TFL）模型无法捕捉的。实验与TCAD仿真在25–125 °C范围内验证了四种不同的导电机制，表明自加热是导致非线性电流突增的主要机制，为RRAM的定量设计提供了稳健的框架。

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.

研究动机与目标

• 解决在PCMO基RRAM中观测到的电流急剧上升（α ≫ 2）与传统陷阱填充极限（TFL）模型之间的差异。
• 识别非线性I-V特性背后的根本物理机制，特别是超出TFL预测的电流尖峰。
• 开发一种基于TCAD的模型，整合热效应，以定量再现不同温度下的实验I-V行为。
• 提供一个全面的导电机理，解释所观察到的四种导电机制：欧姆导电、浅陷阱SCLC、电流突增和串联电阻主导行为。

提出的方法

• 在25 °C至125 °C范围内对PCMO基RRAM器件进行温度依赖的I-V测量。
• 使用幂律拟合分析I-V特性，提取指数α，识别不同的导电机制。
• 建立包含电学与热学耦合建模的TCAD仿真框架，以模拟器件行为。
• 引入一种考虑自加热效应的浅陷阱SCLC模型，以解释电流的急剧上升（α ≫ 2），替代传统的TFL假设。
• 将模拟的I-V曲线与所有温度范围内的实验数据进行对比，以验证模型。
• 将自加热引起的热失控作为电流突增的关键驱动力，该结论通过温度依赖性测量得到证实。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何PCMO基RRAM中的电流表现出α ≫ 2的急剧上升，与陷阱填充极限（TFL）模型的预测相悖？
• RQ2 在无深陷阱的情况下，自加热效应能否解释观测到的电流突增？
• RQ3 四种不同的导电机制——欧姆导电、浅陷阱SCLC、电流突增和串联电阻——如何随温度演变？
• RQ4 基于热耦合的TCAD仿真在多大程度上能再现PCMO RRAM中的实验I-V特性？
• RQ5 电流突增机制更应由陷阱动力学还是器件中的热失控来解释？

主要发现

• 在25–125 °C范围内，实验测得的I-V特性清晰表现出四种不同的导电机制：欧姆导电（α ≈ 1）、浅陷阱SCLC（α ≈ 2）、急剧电流上升（α ≫ 2）以及串联电阻主导（α ≈ 1）。
• 包含自加热效应的TCAD仿真成功再现了所有四种导电机制，证实了该模型的有效性。
• 急剧电流上升（α ≫ 2）无法由传统TFL模型解释，该模型无法预测突增的幅度与动态行为。
• 自加热引起的热失控被确定为电流突增的主要机制，且得到温度依赖性测量的支持。
• 引入热反馈的浅陷阱SCLC模型为整个温度范围内的I-V行为提供了连贯且定量的解释。
• 所提出的模型为未来PCMO基RRAM器件的设计与优化提供了稳健的基础。