Un estudio colectivo sobre modelado y simulación de memoria resistiva de acceso aleatorio
Resumen
En este trabajo, proporcionamos una discusión integral sobre los diversos modelos propuestos para el diseño y descripción de la memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM), siendo una tecnología incipiente que depende en gran medida de modelos precisos para desarrollar diseños de trabajo eficientes y estandarizar su implementación en todos los dispositivos. Esta revisión proporciona información detallada sobre las diversas metodologías físicas consideradas para desarrollar modelos para dispositivos RRAM. Cubre todos los modelos importantes informados hasta ahora y aclara sus características y limitaciones. Se han abordado varios efectos adicionales y anomalías que surgen del sistema memristivo, y también se han mostrado las soluciones proporcionadas por los modelos a estos problemas. Todos los conceptos fundamentales del desarrollo del modelo RRAM, como el funcionamiento del dispositivo, la dinámica de conmutación y las relaciones corriente-voltaje, se tratan en detalle en este trabajo. Los modelos populares propuestos por Chua, HP Labs, Yakopcic, TEAM, Stanford / ASU, Ielmini, Berco-Tseng y muchos otros se han comparado y analizado extensamente en varios parámetros. También se ha presentado y comparado el funcionamiento y las implementaciones de las funciones de ventana como Joglekar, Biolek, Prodromakis, etc. Se han discutido nuevos conceptos de modelado bien definidos que aumentan la aplicabilidad y precisión de los modelos. El uso de estos conceptos aporta varias mejoras en los modelos existentes, que se han enumerado en este trabajo. Siguiendo la plantilla presentada, se desarrollarían modelos de alta precisión que ayudarán enormemente a los futuros desarrolladores de modelos y a la comunidad de modelos.
Antecedentes
Esta nueva era de la informática requiere una tecnología que sea igualmente capaz de igualar su crecimiento. La nueva tecnología debería poder satisfacer las demandas de rendimiento mejorado y escalable para adaptarse a los dispositivos del futuro. Los memristores, postulados en 1971 [1] por Leon O. Chua parecen cumplir estos requisitos y sentaron las bases para nuevas clases de dispositivos. Los memristores, abreviatura de “resistencias de memoria”, son dispositivos básicos de dos terminales que recuerdan su estado de resistencia interna dependiendo del historial del estímulo de entrada proporcionado. Chua ideó que los memristores se caracterizan por una relación entre el flujo y la carga, que son las integrales en el tiempo de la corriente y el voltaje, respectivamente.
Más tarde, en 1976, Chua y Kang [2] generalizaron los memristores para incluirlos en una nueva clase de sistemas dinámicos llamados sistemas memristivos. A finales del siglo XX, el interés por estos dispositivos había disminuido a pesar de sus múltiples beneficios. Esto se debió en parte a los avances en la tecnología de circuitos integrados de silicio. Pero con el envejecimiento de las tecnologías de silicio y su incapacidad para soportar la reducción, la búsqueda de dispositivos de conmutación alternativos ganó atracción a principios del siglo XXI. También fue ayudado por los avances en el crecimiento y caracterización de materiales a nanoescala. Esto conduce invariablemente a un progreso significativo en la comprensión de la conmutación memristiva microscópica.
La tecnología Memristor obtuvo un gran avance en el año 2008 cuando Strukov et al. [3] estableció un vínculo entre la teoría y el experimento para su TiO x -dispositivos basados en. Además, obtuvieron una histéresis pellizcada en la relación corriente-voltaje, que es una de las características identificables de los sistemas memristivos [4, 5]. Esto abrió la tecnología de memristor a una amplia gama de dispositivos siguiendo las huellas de la estructura de metal / película de óxido / metal. Algunos de los tipos similares de dispositivos populares fueron Oxygen RRAM (OxRRAM) [6,7,8,9,10] y Conductive Bridge RAM (CBRAM) [11,12,13] entre muchos otros. Estos dispositivos generalmente se clasifican en función de su mecanismo de conmutación.
Memoria resistiva de acceso aleatorio (RRAM)
El interés de la investigación en estos dispositivos emergentes aumentó porque el comportamiento memristivo no volátil demostrado podría aprovecharse en la memoria no volátil. Se ven como posibles alternativas de la tecnología de memoria flash. Con la informática de la era actual cada vez más impulsada por los datos, ha habido demandas de una tecnología de memoria que esté más en sintonía con los requisitos presentes y futuros. En comparación con los diversos dispositivos emergentes, los dispositivos RRAM son más escalables [14,15,16,17,18], tienen alta densidad [19,20,21,22,23,24], consumen poca energía [25,26,27 , 28,29], son más rápidos [30,31,32,33], tienen mayor resistencia y retención [34,35,36,37] y son altamente compatibles con CMOS [38,39,40,41,42]. Los dispositivos RRAM son una de las tecnologías de memoria no volátil más populares y se están realizando extensos estudios para comprender su mecanismo y desarrollar modelos para realizar el funcionamiento del dispositivo y diseñar una estructura de dispositivo precisa y simple. Los dispositivos tienen una estructura simple de metal-aislante-metal (MIM) de dos terminales y cambian entre dos estados de resistencia, estado de baja resistencia (LRS) y estado de alta resistencia (HRS). Un LRS sugiere que el dispositivo está en el estado SET u ON. Un HRS contrastante significa que el dispositivo está en el estado RESET o OFF. Mediante esta conmutación de estados de resistencia en el dispositivo, se almacena el bit de datos [43, 44, 45]. Los dispositivos RRAM se pueden clasificar en dispositivos bipolares y unipolares, según la polaridad de la conmutación. En la conmutación unipolar, los dispositivos cambian con la misma polaridad, mientras que en la conmutación bipolar, se requiere la polarización de ambas polaridades.
Se han propuesto varios enfoques para explicar el mecanismo de conmutación de los dispositivos RRAM, pero el más popular y ampliamente aceptado, para los dispositivos RRAM basados en óxido binario, es la formación y ruptura de filamentos conductores (CF) localizados por la deriva de iones / vacantes de oxígeno. [9, 16, 46,47,48,49]. El SET / RESET se produce como resultado de la combinación / regeneración de los iones / vacantes de oxígeno [50,51,52]. Se ha demostrado que el rendimiento de los dispositivos RRAM se ve muy afectado por la elección de la capa de óxido activo [53,54,55]. Una variedad de sistemas de óxidos como HfO x , TiO x , NiO x , TaO x , ZnO x , etc. [56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66] se han utilizado para demostrar el comportamiento de conmutación resistiva. Ha habido algunas controversias sobre si los dispositivos RRAM son en realidad dispositivos memristivos. Para aclarar la posición de los dispositivos RRAM, Chua aclaró que en realidad son dispositivos memristivos [67].
Importancia del modelado RRAM
Un aspecto muy importante del desarrollo de dispositivos electrónicos basados en nuevas tecnologías de semiconductores es el papel del modelado. Un modelo preciso y completo es de suma importancia para comprender el funcionamiento del dispositivo, diseñarlo para un rendimiento óptimo y verificar que coincida con las especificaciones requeridas. Se han propuesto varios modelos con diversos grados de precisión, diferentes características y resultados mixtos. Por lo tanto, cualquier desarrollador que desee diseñar un modelo robusto y flexible para dispositivos RRAM debe tener información sobre los métodos que se probaron anteriormente y las limitaciones que enfrenta.
En este trabajo, hemos comentado en detalle todas las funcionalidades y características de los distintos modelos RRAM. Los modelos generales de memristor también se consideran para explicar los dispositivos RRAM [67]. Partiendo del modelo de Chua [1] que proporciona los conceptos básicos de memristors, discutimos la definición fundamental de memristors. Se discute en detalle el avance para memristores y dispositivos RRAM proporcionados por el modelo HP [3]. Se consideran los efectos de deriva iónica lineal, que forman la base del mecanismo de estos dispositivos, junto con los efectos no lineales [46, 68, 69]. El modelo Pickett-Abdalla [70,71,72] que sentó las bases para los modelos basados en la física compatibles con SPICE se cubre en profundidad. También se tratan sus diversas características que han sido adoptadas y perfeccionadas por el modelo Yakopcic [73, 74].
Se han revisado los modelos que introdujeron nuevas características como los efectos de umbral [75,76,77], tomando la brecha del filamento como la variable de estado [78,79,80,81]. Se revisan en detalle algunos de los modelos que tienen en cuenta los dispositivos unipolares y los efectos de la temperatura [82,83,84]. También se consideran modelos físicos [85, 86] basados en la dinámica de crecimiento del dispositivo. Junto con estos, se tienen en cuenta los modelos que solo consideran los dispositivos bipolares [87,88,89], el cambio del tamaño de la FC [90, 91] y muchos otros factores [92, 93]. En la Tabla 1 se presenta un análisis conciso de todos los modelos discutidos.
Varios modelos basados en implementaciones de funciones de ventana como Joglekar [94], Biolek [95], Benderli-Wey [96], Shin [97], Prodromakis [98, 99], etc. también se han tenido en cuenta para las limitaciones y restricciones en Los diversos modelos y los métodos utilizados por los modelos posteriores para superarlos se han presentado de manera integral. También se ha revisado en profundidad el importante trabajo realizado por Wang y Roychowdhury [100] para mejorar el modelado de RRAM, ya que supone un impulso considerable en la dirección correcta para toda la comunidad de modelado de RRAM. Junto con esos ejemplos, se discuten los estudios de simulación y verificación de los dispositivos en diferentes plataformas. Esta es la revisión más completa relacionada con los modelos de memristor y RRAM en la etapa actual. La descripción de los modelos se ha dividido en aquellos que describen dispositivos bipolares y dispositivos unipolares. Los modelos de implementación de funciones de ventana se describen en una sección separada.
Anteriormente, ha habido múltiples revisiones sobre los mecanismos de los dispositivos RRAM [46, 101,102,103,104,105], tecnología de fabricación [106,107,108,109], pilas de materiales [110,111,112,113] y una discusión concisa sobre algunos de los modelos presentes en ese momento [114]. Muy recientemente Villena et al. [115] combinó la teoría de todos los modelos de RRAM y propuso un modelo de optimización. En este estudio, nos centramos más en las diversas técnicas de modelado junto con las soluciones proporcionadas a varios inconvenientes. También se ha analizado un análisis exhaustivo de los modelos de condiciones de contorno que pueden clasificarse como modelos pseudocompactos. En este trabajo se han investigado algunas técnicas críticas de modelado que pueden ayudar significativamente a los desarrolladores de modelos. Además, se ha incluido una discusión sobre varias técnicas y plataformas de simulación para modelos RRAM como SPICE [116, 117], que es muy esencial. Nuestro trabajo tiene como objetivo llenar un vacío significativo en la comunidad de modelos RRAM.
Modelos RRAM para dispositivos bipolares
Modelo Chua
Leon O. Chua en 1971 propuso la idea de memristor [1] que de hecho era el cuarto elemento básico junto con la resistencia, el condensador y el inductor. Se cree que las características básicas de un memristor están controladas por flujo ( φ ) o carga controlada ( q ) y están definidos por una relación del tipo g ( φ, q ) =0.
Chua definió el voltaje de un memristor como [1]:
$$ v (t) =M \ izquierda (q (t) i (t) \ derecha) $$ (1)
donde
$$ M (q) =d \ varphi (q) / dq $$ (2)
La corriente que fluye a través de un memristor controlado por flujo se formuló como
1
:
$$ i (t) =W \ left (\ varphi (t) v (t) \ right) $$ (3)
donde
$$ W \ left (\ varphi \ right) =dq \ left (\ varphi \ right) / d \ varphi $$ (4)
Aquí, los parámetros M ( q ) y W ( φ ) se definen como memristance incremental y memductance incremental, respectivamente, debido a que tienen unidades similares a la resistencia y conductancia. El φ-q Las curvas para los tres dispositivos memristor se muestran en la Fig. 1. Estas curvas son generadas por un circuito memristor-resistor (M-R) básico que da lugar a tres tipos de memristors. El φ-q la varianza para esos dispositivos se muestra en la Fig. 1a – e, respectivamente. La figura 1b-f muestra el I-V correspondiente relaciones de los mismos tres memristores.
un - f Carga de flujo ( ϕ - q ) curvas obtenidas de tres memristores diferentes [1]
Las ecuaciones presentadas anteriormente se pueden simplificar en lo siguiente [1]:
$$ v =R (w) \ veces i $$ (5) $$ \ frac {dw} {dt} =i $$ (6)
donde w es la variable de estado del dispositivo y R una resistencia generalizada que depende del estado interno del dispositivo.
El valor de la memristance incremental (memductance) en un instante de tiempo t 0 depende de la integración temporal de la corriente (voltaje) completa del memristor de t =- t a t = t 0 . Entonces, esto se traduce en el hecho de que mientras un memristor actúa como una resistencia normal en cualquier instante de tiempo t 0 , pero sus valores de resistencia (conductancia) dependen del historial pasado completo de la corriente (voltaje) del dispositivo, de ahí la justificación del nombre resistor de memoria.
Curiosamente, en el momento del voltaje de memristor especificado v ( t ) o i actual ( t ), el memristor se comporta como una resistencia lineal variable en el tiempo. Pero en el caso en que φ-q la curva es una línea recta, es decir, M ( q ) =R o W ( φ ) =G , el memristor actúa como una resistencia lineal invariante en el tiempo. Por lo tanto, un dispositivo de memristor no se puede usar en la teoría de redes lineales, pero se puede usar para definir circuitos donde el estado actual de los parámetros depende de los estados pasados.
Más tarde, en 1976, Chua y Kang [2] generalizaron el concepto de memristor para incluir sistemas memristivos que incluyen muchos sistemas dinámicos no lineales. Fue descrito por las ecuaciones [2]:
$$ v =R \ left (w, i \ right) \ times i $$ (7) $$ \ frac {dw} {dt} =f \ left (w, i \ right) $$ (8)
donde w se define como un conjunto de variables de estado, R y f son funciones explícitas del tiempo. Una diferencia básica entre memristores y sistemas memristivos es que en los últimos el flujo ya no está definido de forma única por la carga. Los sistemas memristivos se pueden distinguir de un sistema dinámico general en que no hay corriente fluyendo en el dispositivo cuando la caída de voltaje a través de él es cero.
Las ecuaciones de memristor se usaron razonablemente para definir el estado variable de un interruptor de umbral por Chua [1], que son la primera instancia de uso de memristors en el modelado de dispositivos. La formulación del memristor por Chua sentó las bases para una nueva clase de dispositivos y aplicaciones variadas que utilizan un elemento de circuito básico para almacenar datos. Este concepto básico de memristores llevó al diseño de nuevas arquitecturas para futuras aplicaciones de memoria no volátil de las cuales RRAM es un candidato prometedor. Ha habido una cantidad significativa de teorías que explican el funcionamiento de los dispositivos RRAM y los modelos que los definen, que se basan fundamentalmente en el modelo de memristor.
Una aplicación muy interesante del modelo de carga de flujo es su uso [118] para definir una RRAM unipolar e implementarla en SPICE. Debido a la simplicidad de las ecuaciones de carga de flujo, se pueden integrar fácilmente en simuladores de circuitos con pocas modificaciones. El modelo SPICE se probó con datos experimentales de HfO 2 -Dispositivo RRAM unipolar basado en La relación no lineal propuesta para ajustar la q normalizada obtenida experimentalmente - φ los valores se dan como [118]:
$$ q \ left (\ varphi \ right) ={q} _r \ times \ min \ left (1, {\ left (\ frac {\ varphi} {\ varphi_r} \ right)} ^ n \ right) $$ (9)
Aquí, φ r es el flujo en el punto RESET. Cuando este valor q ( φ ) = q r se obtiene, el CF desaparece y la corriente asociada con el CF se vuelve a poner a 0. Esto se traduce en que el dispositivo está en el HRS. Para investigar la capacidad del modelo para reproducir las características de conmutación unipolar del dispositivo, se realiza una operación de barrido de polarización estándar. El voltaje aplicado en el dispositivo en el estado de reinicio aumenta progresivamente desde la polarización cero hasta que alcanza el LRS y luego la polarización vuelve a cero voltios. La corriente LRS se modela usando una forma modificada de la relación de corriente del modelo Chua [1], dada como [118]:
$$ i (t) =\ left \ {\ begin {array} {c} K \ sqrt {\ varphi} v (t) \ kern0.75em \ mathrm {if} \ \ varphi <{\ varphi} _r \\ {} 0 \ kern4.25em \ mathrm {if} \ \ varphi ={\ varphi} _r \ end {array} \ right. $$ (10)
Se supone que la corriente HRS está controlada por una emisión termoiónica, por lo que la corriente en ese estado se modela como:
$$ i (v) ={I} _A \ left ({e} ^ {\ frac {v} {v_A}} - 1 \ right) $$ (11)
Los efectos de umbral también se consideran en el modelo. Se ha asumido que el efecto de voltaje umbral surge debido a efectos de contacto. Puede tenerse en cuenta al incluir un umbral de voltaje para el cálculo del flujo en los procesos SET y RESET. La corriente modificada viene dada por [118]:
$$ i (t) =\ left \ {\ begin {array} {c} {I} _A \ left ({e} ^ {\ frac {v} {v_A}} - 1 \ right) \ kern2.75em \ mathrm {if} \ \ varphi <{\ varphi} _s \\ {} K \ sqrt {\ varphi} v (t) \ kern3.75em \ mathrm {if} \ \ varphi <{\ varphi} _r \ end {matriz }\derecho. $$ (12)
Aquí, ϕ r y ϕ s son el flujo RESET y SET, respectivamente. Estas ecuaciones se pueden implementar en un circuito compatible con SPICE que consta de una red de condensadores. Se encontró que los resultados de la implementación de SPICE estaban siguiendo de cerca los resultados experimentales con el modelo capaz de reproducir características de memristor casi idénticas. Valida el uso del modelo de carga de flujo de Chua [1] para ser utilizado también para modelar dispositivos unipolares.
Modelo lineal de deriva de iones
Con una brecha considerable en las décadas posteriores a la formulación del memristor por Chua, los investigadores de HP Labs [3] en 2008 hicieron un descubrimiento emocionante con respecto a los dispositivos memristor. Aunque Chua había formulado la presencia de un elemento como un memristor, no se había desarrollado un circuito o modelo realizable después de eso, aunque se informó de varios esfuerzos para fabricar dispositivos RRAM a principios del siglo XXI. El equipo de HP Labs dirigido por Strukov et al. [3] realizó un sistema memristivo funcional a nanoescala donde la memristance ocurre naturalmente, donde el transporte iónico y electrónico de estado sólido se acoplan bajo un sesgo de voltaje externo. Esos sistemas muestran una relación histerética entre las características de corriente y voltaje similar a otros dispositivos electrónicos a nanoescala, lo que lleva a una comprensión fundamental de los sistemas memristivos y al diseño de sistemas similares.
Se informó sobre un dispositivo simple de dos terminales, donde un óxido (TiO 2 ) de espesor D estaba intercalado entre dos electrodos de Pt. Histéresis I - V Las curvas de conmutación se han comparado con la curva simulada. Aunque el mecanismo exacto de estos dispositivos no se entendía completamente en ese momento, fue uno de los primeros casos en que las memorias de conmutación resistivas se clasificaron en sistemas memristivos.
Una estructura de dispositivo esquemática de TiO 2 -memristor basado en se muestra en la Fig. 2a [3], donde hay dos resistencias variables en serie, llamadas como R ACTIVADO que es la baja resistencia en la región de los semiconductores con mayor concentración de dopante. Una menor concentración de dopante aumenta la resistencia de la otra parte, denominada R APAGADO . Relación entre el voltaje aplicado v ( t ) y actual a través del sistema i ( t ) debido a la conductancia electrónica óhmica y la deriva iónica lineal en un campo uniforme con movilidad iónica promedio viene dada por [3]:
$$ v (t) =\ left (\ frac {R _ {\ mathrm {ON}} w (t)} {D} + {R} _ {\ mathrm {OFF}} \ left (1- \ frac {w (t)} {D} \ right) \ right) i (t) $$ (13)
Se presenta el modelo de resistor variable acoplado para un memristor. un Un circuito equivalente simplificado que consta de un voltímetro (V) y un amperímetro (A). b , c El voltaje aplicado (azul) y la corriente resultante (verde) en función del tiempo t para un memristor típico también se presentan. En b el voltaje aplicado es v 0 pecado ( v 0 t ) y la relación de resistencia es R APAGADO / R ACTIVADO =160 y en c el voltaje aplicado es ± v 0 sin
2
(ω 0 t ) y R APAGADO / R ACTIVADO =380, donde ω 0 es la frecuencia y v 0 es la magnitud del voltaje aplicado. Los números del 1 al 6 están etiquetados para ondas sucesivas en el voltaje aplicado y los bucles correspondientes en i – v curvas. En cada gráfico, los ejes son adimensionales, con voltaje, corriente, tiempo, flujo y carga expresados en unidades de v 0 =1 V, i 0 ≡ v 0 / R ACTIVADO =10 mA, t 0 ≡ 2 π / ω 0 ≡ D
2
/ μ v v 0 =10 m / s, v 0 t 0 y i 0 t 0 , respectivamente. El término i 0 denota la corriente máxima posible a través del dispositivo, y t 0 es el tiempo más corto requerido para la deriva lineal de dopantes a lo largo de todo el dispositivo en un campo uniforme v 0 / D , por ejemplo con D =10 nm y μ V =10
−10
cm
2
s
−1
V
−1
. Cabe señalar que para los parámetros elegidos, el sesgo aplicado nunca fuerza a ninguna de las dos regiones resistivas a colapsar; por ejemplo, w / D no se acerca a cero o uno (se muestra con líneas discontinuas en los gráficos del medio en b y c ). Además, el i – v de guiones trazar en b demuestra el colapso de histéresis observado con un aumento de diez veces en la frecuencia de barrido. Las inserciones de i – v parcelas en b y c muestre que para estos ejemplos, la carga es una función de valor único del flujo, ya que debe estar en un memristor [3]
Aunque la ecuación anterior en sí misma no es lineal, la resistencia del dispositivo cambia linealmente con el voltaje aplicado v ( t ), de ahí la atribución de linealidad al modelo. Dispositivo definido por Strukov et al. [3] actúa como un memristor perfecto solo para un rango limitado particular de la variable de estado w . La variable de estado se define como [3]:
En la ecuación anterior. (15), el q El término dependiente es la principal contribución a la resistencia. Un análisis interesante proporcionado sobre por qué este fenómeno en particular estuvo oculto durante tanto tiempo se debe a que el campo magnético no jugó un papel explícito en el mecanismo. Para que un memristor se realice en términos simples, debe existir una relación no lineal entre las integrales de voltaje y corriente.
Las Ecs. (13) - (15) también incorporan los fundamentos de la conmutación bipolar, es decir, el dispositivo cambia de un estado a otro mediante la aplicación de voltaje de dos polaridades. Como resultado, los dispositivos que muestran histéresis bipolar I - V las relaciones pueden ser modeladas por estas ecuaciones y, por lo tanto, conducen a la clasificación de dispositivos como sistemas memristivos. Este comportamiento se observa en muchos sistemas de materiales como películas orgánicas [119,120,121,122,123], calcogenuros [124,125,126], óxidos metálicos [127,128,129], óxidos dieléctricos [130,131,132], perovskitas [133,134,135,136], etc. El equipo de HP utilizó un TiO 2 [3] y observaron características de conmutación bipolar similares, con el movimiento de impurezas o dopantes a través de la región activa como la razón de cambios tan dramáticos en la resistencia. Esto se muestra en la Fig. 2b, c con la corriente mostrando una caída drástica y un aumento rápido con el cambio de voltaje.
Físicamente, la región activa en estos dos dispositivos terminales opera dentro del límite, 0 a D , el grosor de la capa de óxido, por lo que la variable de estado w también está delimitado entre los espesores. La figura 3 indica la variación de w / D con tiempo para que el parámetro nunca salga de los límites de 0 y D [3]. El cambio repentino en la resistencia o la conmutación es causado por los dispositivos que alcanzan estos límites. Para modelar esta condición, se utilizan condiciones de contorno adecuadas. Se observan ciertas anomalías en el dispositivo en los límites específicamente. Hay un cambio no constante en la tasa de las variables de estado dinámico sobre el cambio disponible. Además, la movilidad de los iones es significativamente menor en los límites que en el medio. Esto se atribuye a los efectos de deriva de dopantes no lineales en los límites. Por lo tanto, para tener debidamente en cuenta estos efectos, las variaciones de ciertas funciones de ventana se utilizan para definir los límites de los dispositivos. El equipo de HP propuso una función de ventana multiplicada por la variable de estado Eq. (9) dado como [3]:
$$ f (x) =\ raisebox {1ex} {$ w \ left (1-w \ right) $} \! \ left / \! \ raisebox {-1ex} {$ {D} ^ 2 $} \ right . $$ (16)
Dispositivo memristivo impulsado por voltaje simulado. un Simulación con resistencia diferencial dinámica negativa. b Simulación sin resistencia diferencial negativa dinámica. c Simulación gobernada por deriva iónica no lineal. En las parcelas superiores de a , b y c , el estímulo de voltaje (azul) y el cambio correspondiente en la variable de estado normalizada w / D (rojo) se traza contra el tiempo. En todos los casos, el cambio duro ocurre cuando w / D se acerca mucho a los límites en cero y uno (punteado), y el i cualitativamente diferente - v Las formas de histéresis se deben a la dependencia específica de w / D en el campo eléctrico cerca de los límites. d A modo de comparación, un i – v experimental gráfico de un Pt – TiO 2 - x –Pt dispositivo se presenta [3]
Este modelo podría atribuirse a sentar las bases de futuros modelos RRAM. También se puede utilizar para dos dispositivos semiconductores terminales que tienen histéresis bipolar I - V relaciones. Tomando el mecanismo de un memristor como referencia, se han desarrollado numerosos modelos futuros para dispositivos RRAM.
Modelo de deriva de iones no lineal
El modelo de deriva de iones lineal desarrollado por HP [3] demostró principalmente efectos de deriva lineal en la región de volumen del dispositivo de memristor. Observaron algunos efectos no lineales en los límites, pero no los definieron de manera integral. La dependencia no lineal de la deriva del dopante en el voltaje aplicado fue observada y formulada por Yang et al. [46] en 2008. Propusieron una relación corriente-voltaje que contabilizara los efectos no lineales con precisión. Posteriormente fue mejorado y agregado por Eero Lehtonen y Mika Laiho [68].
La conducción en los dispositivos memristivos está controlada por una barrera electrónica de metal / óxido espacialmente heterogénea, según informaron Yang et al. [46]. El cambio es causado por la deriva de las vacantes de oxígeno con carga positiva que actúan como dopantes nativos para formar o disolver canales conductores a través de esta barrera electrónica. La concentración de vacantes es mayor en los límites o interfaces metal / óxido. El encendido y apagado tuvo lugar solo en la interfaz superior, lo que indica que el electrodo superior actúa como electrodo activo.
El efecto de las vacantes de oxígeno sobre las características de conmutación del memristor basado en óxido de titanio se muestra en la Fig. 4 [46]. Las muestras tienen diferentes vacantes de oxígeno con diferentes secuencias de capas de TiO 2 muestran conmutaciones opuestas definidas por sus polaridades. Además, la adición de vacantes adicionales a la interfaz superior, que se muestra en la Fig. 4c, cambia las curvas de conmutación, lo que confirma el papel dominante de las interfaces no óhmicas en los dispositivos memristivos. Esto forma la base de los efectos de no linealidad que se originan en las interfaces y gobiernan la conmutación de dispositivos.
TiO de película fina 2 - x Los dispositivos con perfiles de vacancia de oxígeno controlados se utilizan para verificar el mecanismo de conmutación. un Las muestras I y II contienen secuencias de capas invertidas de TiO 2 de 15 nm y TiO 2 - x de 15 nm (más vacantes) capas. Estos muestran polaridades opuestas de I-V curvas en sus estados vírgenes. b . Las polaridades de conmutación de estas dos muestras también son opuestas entre sí. c . Cuando se introducen más vacantes al agregar una capa de Ti de 5 nm a las interfaces superiores de estas dos muestras, el I-V las curvas cambian de formas totalmente diferentes, lo que confirma el papel dominante de las interfaces no óhmicas en los dispositivos de película delgada [46]
Yang y col. [46] explicó el hecho anterior de que los dispositivos memristivos actúan como resistencias dinámicas que cambian su estado de acuerdo con la integral de tiempo de la corriente o voltaje aplicados; fallaron en dar una relación que describa una variable de estado dinámico. La relación corriente-voltaje propuesta se puede describir como [46]:
$$ I ={w} ^ n \ beta \ sinh \ left (\ alpha v \ right) + \ chi \ left ({e} ^ {\ gamma v} -1 \ right) $$ (17)
Aquí, β, γ, n y χ son constantes de ajuste. En la ecuación anterior, el primer término β sinh ( αv ) se aproxima [1] al estado ON del memristor donde los electrones atraviesan la delgada barrera electrónica residual. w se define como la variable de estado del dispositivo en el rango de 0 (APAGADO) y 1 (ENCENDIDO). La segunda parte de la ecuación se aproxima al estado APAGADO del dispositivo con los otros parámetros actuando como constantes de ajuste. Parámetro n aquí actúa como el parámetro libre utilizado para modificar la conmutación entre los estados. Durante el ajuste de n, los efectos no lineales entran en escena. yo - V La curva del dispositivo fabricado se modela usando la Ec. (dieciséis). El mejor ajuste se obtiene a 14 ≤ n ≤ 22. Esto puede interpretarse como una prueba de que la velocidad de deriva de la vacante efectiva depende de una manera muy no lineal con el voltaje aplicado al dispositivo. Entonces, la mayoría de los efectos de deriva de dopantes en los límites / interfaces podrían entenderse como de naturaleza no lineal.
Una relación que describe la dinámica de la variable de estado w en este modelo, el uso de SPICE [116, 117] fue propuesto por Lehtonen y Laiho [68]. La derivada temporal de w fue modelado como [68]:
$$ \ frac {dw} {dt} =a \ times f (w) \ times g (v) $$ (18)
Aquí, a es una constante, f :[0, 1] → R es una función de ventana propuesta y g:R → R se considera una función lineal propuesta anteriormente en el modelo de deriva lineal (donde R significa números reales). The authors demonstrated from the solutions that in order to imitate the working of the memristor proposed by Yang et al. [46], g (v ) must be a non-linear, odd, and monotonically increasing function. A non-linear function which was proposed was [68]:
$$ g(v)={v}^q $$ (19)
Here, the exponent q is used to mimic the rapid switching process. Transition between ON and OFF state in a memristor generally takes place very fast. An input voltage with a very high sweep rate is used to obtain such behavior. This is the first implementation of memristor models in the SPICE platform [116, 117].The major advantage of SPICE implementation is the ability of the model to be used in analog circuits and simulations and can be verified as fit to be circuit implementable or not. Although many improvements were made in subsequent models, this model lays the foundation for the rest of the RRAM models by accurately taking into consideration and explaining the non-linear dopant drift effects [3, 46].
Exponential Ion Drift Model
In practice, resistance switching characteristics are non-linear in nature. To analyze such exponential characteristics, Strukov et al. [69] proposed exponential ion drift model in 2009. This non-linearity caused a significant variation in retention time and write speed. Due to the exponential dependence of the switching rate for high electric field, the exponential ion drift model is generalized to explain the phenomenon by the non-linear microscopic drift of charged species in the dielectric at high field and temperature.
The major factors considered for this model are switching speed and volatility. Switching speed is the time required for the device to switch from one resistance state to the other, i.e., it can be deemed as the time required to writing the data into the memory and is denoted as τwrite . Volatility is the time required for the device to lose its resistance state, i.e., the time taken to store the data into the device before erased denoted as τstore . The ratio between τstore and τwrite derived using the Einstein-Nernst formula is given by [69]:
Here, L is the length of the device with an active doped region D y k B the Boltzmann constant. Ratio between the two parameters is approximately three orders of magnitude when considered at room temperature and reasonable bias voltages. Such a high volatility to switching speed ratio suggests a strong non-linear ionic transport due to drift-diffusion inside the device. For high-field ionic drift, the overall effect on the average drift velocity of the ions is given by the model as [69]:
Here, ν is the drift velocity, f e the frequency of escape attempts, T the device temperature, a p the periodicity, Ea the activation energy, and E the applied electric field.
Variation of the drift velocity with the applied electric field is shown in Fig. 5 [69]. The exponential variation can be clearly seen at high applied fields which lend non-linearity to the model. There are a few shortcomings for this model which affect its accuracy and also the calculation of the average drift velocity mentioned in Eq. (20). This model is primarily suited for application to ionic crystals where the major interaction forces are the Coulomb repulsion and van-der-Waals forces. Its application for covalent crystals will affect the accuracy of calculation due to the complex interactions of electrons and ions in high electric field. Also, electrochemical diffusion reactions and redox reactions are not explained by the model [91,92,93]. This can cause significant issues in the systems where the physical switching mechanism is governed by electrochemical processes.
Nonlinear (solid) and linear (dashed) drift velocity of doubly charged oxygen vacancies along the [110] plane direction in rutile structure at room temperature [69]
Simmons Tunneling Barrier Model
Though Lehtonen and Laiho [68] first proposed SPICE-based simulations model for non-linear ion drift model as mentioned in the “Non-linear Ion Drift Model” section, but this modeling is not suitable for use in an electrical-based time domain simulation, due to the lack of proper definition of simulation parameters and equations. This situation changed with the Pickett-Adballa et al. [70,71,72] model where a new class of model based on the device physics was demonstrated, which is capable of being explained and compatible with SPICE. The equations were modified to fit the requirements for SPICE implementation.
The analysis was based on the results from a TiO2 -based memristor device [70] where the tunneling barrier width w was considered to be the dynamic state variable. This later set the precedent for one of the most popular parameters being treated as the dynamic variable in memristor systems, the other being the length of conductive filament inside the dielectric media. The deduction based on their analysis was that the dynamic behavior for on and off switching of the devices was highly non-linear and asymmetric as can be seen in Fig. 6 [70]. The explanation provided for the deduction was the exponential dependence of the drift velocity of ionized dopants on the applied current or voltage.
Dynamical behavior of the tunnel barrier width w . The evolution of the state variable w occurs as a function of time for different applied voltages for a series of a off-switching and c on-switching state tests on the same device. Legends indicate the applied external voltage. The lines are the numerical solution to the respective switching differential equations described in the text. b , d The numerical derivative w ˙ of the data in a and c plotted as a function of w for the different applied voltages. The lines are calculated from the differential equations using the measured values of w and i at each point in time. The irregularity of the calculated w˙ vs w lines in the on-switching plots is caused by the changes in the current that accompany the change in state (w˙ is a function of two variables, w and i , and both are changing). The derivative of the state variable w˙ can be interpreted as the speed of the oxygen vacancy front. This is because the applied voltage pushes it away from or attracts it toward the top electrode [70]
The current in the device was explained based on the Simmons tunneling barrier I-V expressions [137], and based on this analysis, the dynamic state variable was determined to be the Simmons tunnel barrier width (w ). The current was given as [72]:
The parameters have been adjusted here such that the barrier height φb is in volts (not in electron volts), and the time-varying tunnel barrier width w is in nanometers. In the equations above, A is the channel area of the memristor, e is the electron charge, h is the Planck’s constant, ε is the dielectric constant, m is the mass of electron, φ 0 is a standard barrier height taken from reference [70], and v is the voltage across the tunnel barrier. B is a fitting constant. In lieu of the analytical form of the equations, they can be conveniently described and implemented in SPICE, or it can be implemented with the any SPICE compatible electrical simulator.
The dynamic state variable w varies with time as [72]:
Here, f1,i 1 , a 1 , b , w c , f 2 , i 2 , and a 2 are fitting parameters. The abovementioned equations are used to model the memristor on the circuit level considering the electron tunnel barrier as a voltage-dependent current source, and the conducting channel (TiO2 ) is modeled as a series resistance. The voltage drops across the tunnel barrier and the series resistance make up the complete voltage drop across the circuit.
The dynamic behavior of the device is visibly complex as it is physics-based modeling approach and has been articulated as such by the Eqs. (27) and (28). The rate of switching possibly has contributions from the nonlinear drift at high electric fields and local Joule heating of the junction speeding up the thermally activated drift of oxygen vacancies [16, 46, 82, 83]. This can be clearly seen in the case of Fig. 6a, c [70] where the nature of the curves at high electric fields is quite different to those in low fields. The switching in the device is directly affected by the width of the gap. Application of a positive bias on the top electrode increases the state variable w resulting in an exponential increase in the resistance of the device as illustrated in Fig. 6b, d [70]. An opposite phenomenon occurs when negative bias is applied on the top electrode. This signifies the bipolar nature of the switching characteristics and their dependence on the dynamic state variable w .
The SPICE simulation of the model equations is illustrated in Fig. 7 [72]. The experimental data from the fabricated device is plotted against the simulated I-V curves showing a good fit between the two. This implementation paves the way for future SPICE simulations of RRAM devices [74, 77, 81]. A possible shortcoming in this model is the lack of a boundary for the dynamic variable and a threshold voltage within which the model should work. The growth of tunneling barrier width w can possibly go to unlimited quantities owing to the lack of a bound for the same, thus creating non-realizable scenarios for the device mechanism. Many models have employed what is called a window function to define the limits for the defined dynamic state variable in the model.
Experimental data (black dots) and corresponding simulated I - V curve for the memristor (solid line) where imem is the current through the memristor and vmem is the voltage across the entire memristor. The inset shows the externally applied voltage sweep is shown and the initial condition for w is set at 1.2 nm [72]
Yakopcic Model
Although not validated specifically for RRAM devices at the time of development, the Yakopcic model [73, 74] closely resembled a variety of RRAM devices. The model was initially tested for TiO2 systems [73], and these systems are indeed one of the most popular ones along with HfO2-based RRAM devices.
This model was based on the Pickett-Adballa model [70,71,72] using a similar state variable, but it was modified to include neuromorphic systems as well. It was one of the first models to consider the functioning of synapses into their equations. This model was verified for the device used by the HP lab team to explain the working of memristive systems.
The state variable w ( t ), a value between zero and one considered here, directly affected the current through the device and also the dynamics of the device, i.e., the resistance. The current in the device is given as [73]:
Two functions, namely g (v ( t )) and f ( x ( t )), are responsible for the change in the state variable. a 1 , a 2 , and b are fitting constants. Change of the state of the variable is generally governed by a threshold voltage, i.e., there is a physical change in the device structure above a certain threshold voltage. The function g (v ( t )) here models the ON and OFF voltages of the device which also takes into account the polarity of the input voltage. This results in a better fit to the experimental data in case of bipolar switching where the values of set (v p ) and reset (vn ) voltage, i.e., the thresholds are different. It is defined as [73]:
A p and An indicate the rate of the change of state once the voltage threshold is crossed. It can be understood as the dissolution or the rupture of the filament in terms of RRAM devices. There is in-built support for threshold values in the model, which enhances its applicability.
The state change variable modeled by the function f (w ( t )) is used to define the boundaries for the variable. It explains the motion of the charge carrying particles based on the threshold values, also adding the possibility to define the motion of the particles based on the polarity of the input voltage. This basically acts as a window function which restricts the state change variable within certain boundary given as [73]:
Here, f p (w ,w p ) is a window function which limits the value of f (w ) to 0 when x ( t ) = 1 and v ( t ) > 0. fn (w ,wn ) is a similar window function which does not allow the value of w ( t ) to become less than zero when the current flow is reversed.
The movement of dynamic state variable, in simple words, the rate of switching, is governed by a differential equation. The growth and decay of the tunneling barrier width are the defining mechanism for this particular model, and it is given by [73]:
Owing to the analytical nature of the coupled equations, they can be solved using a mathematical solver such as MATLAB [138, 139]. The differential equation can also be solved in MATLAB using the in-built solvers idt () and ddt () functions, which employ the time step integration method. This particular model was simulated using the characterization data of the TiO2 memristor from HP Labs [3], and the fitting obtained was pretty good when the fitting parameters are properly calibrated.
A separate SPICE implementation of the same model was reported by Yakopcic et al. [74] which were fitted and characterized for a multitude of devices for both sinusoidal and repeated sweep inputs. The SPICE implementation revealed a good accuracy and applicability of the model at the circuit level. The model was correlated with a variety of experimental data, and low error rates of about 6% were obtained. It was one of the first SPICE implementation where the model was tested under sinusoidal as well as repetitive sweeping inputs. This helps in determining the AC behavior of the device. Along with that, very important device variability analysis is performed which defines the error tolerance in the device. Variability is an important issue, when the RRAM device is used in large systems, such as arrays. The variability analysis performed is essential in knowing until which point the system can tolerate the variability. After reaching the critical point, there is possibility of errors in device read/write.
The model was also tested for read/write operations using 256 devices, which helps determine its usability in crossbar arrays. Similarly, it can be used for neuromorphic read/write operations to test the model applicability in that system. Device variability in the model is defined with change in the device parameters. So, changing the device parameters leads to a change in the simulated device I - V which is very useful in fitting the model with the experimental data. The values of the device parameters used can help define the accepted values of the particular parameters in the real case scenario. No convergence errors were found in the 256 array system, but with new RRAM array systems reaching higher density, applicability of the model there remains a question. Higher density array systems generally pose a convergence problem in SPICE simulations, but with proper parameter definition, it can be avoided. This model can be considered a new paradigm when it comes to circuit level SPICE simulations, variability analysis, and read/write operation simulations for RRAM devices.
TEAM/VTEAM Model
Threshold Adaptive Memristor (TEAM) model [75, 76] builds based on the Simmons Tunneling Barrier model [70,71,72] (discussed in the “Simmons Tunneling Barrier Model” section) and delivers a much simpler physics-based modeling approach for memristive systems. yo - V relationship in this case is not fixed and can be chosen to fit any device which provides some amount of flexibility in the model. TEAM model arose from the need of simpler analytical equations which describe the mechanism of memristive systems accurately and which take less computation time.
This model is based on the approximation of the high non-linear dependence of the memristive device current; the device can be modeled as a device with threshold currents. The results are evident in Fig. 8. As with the tunneling barrier model, the internal state derivate is dependent on the current and the state variable itself, which is the effective tunnel width. It can be modeled effectively by [76]: