Etude de matériaux chalcogénures amorphes et de leurs propriétés de commutation électrique pour la conception de dispositifs sélecteurs dédiés aux mémoires résistives

Study of amorphous chalcogenide materials and of their electrical threshold properties targeting the development of selector devices for resistive memories

• Auteur / Autrice : Anthonin Verdy
• Direction : Véronique Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 05/06/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Souifi, Damien Deleruyelle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Piarristeguy, Marc Bocquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chalcogénures

Commutation (électricité)

Memristors

Matériaux à changement de phase

Mots clés libres

Sélecteur BackEnd

Commutation ovonique

Matériaux chalcogénures

Mémoire résistive

Crossbar

BackEnd selector

Ovonic Threshold Switching

Chalcogenide materials

Resistive memories

Crossbar

Résumé

Dans le domaine des mémoires pour la microélectronique, il apparait que les performances des technologies traditionnelles se font de plus en plus dépasser par les performances de l'unité de calcul : le processeur attend l'information. Le développement de nouvelles technologies mémoires devient donc nécessaire pour supporter l'évolution de la microélectronique. Les mémoires résistives représentent des candidates pertinentes pour développer de nouveaux systèmes permettant de booster les performances d'un ordinateur. Cependant, afin d'atteindre leur pleines performances, elles doivent être intégrées en série avec un dispositif sélecteur Back-End.L'objectif de cette thèse est d'étudier la commutation ovonique (appelée Ovonic Threshold Switching, OTS) dans les matériaux chalcogénures amorphes pour la conception de tels dispositifs sélecteurs. Un travail expérimental évalue différents matériaux chalcogénures à base des matériaux Ge30Se70 et As2Te3, dans le cadre de leur application en tant que dispositif de sélection dans les matrices de mémoires résistives. Pour chaque famille de matériaux, les propriétés structurales, optiques et électriques des matériaux ont été caractérisées, ainsi que les performances électriques des dispositifs sélecteurs. L'analyse approfondie de ses résultats a permis de mettre en valeur des corrélations entre les paramètres, éclairant ainsi l'impact des différents éléments de la composition des matériaux sur le mécanisme de commutation à la base de la fonctionnalité du sélecteur. Grâce à la synthèse de ses résultats, certains compromis sont mis en évidence et des lignes directrices ainsi qu'une méthodologie sont formulées à destination des concepteurs de matrices de mémoires résistives pour le choix des matériaux chalcogénures visant cette application.

A performance gap between the CPU and the memory is growing more and more : the CPU is waiting the information. The development of new technologies of memories is becoming a necessity to support the evolution of microelectronics. Among them, resistive memories represent the best candidates for the development of new systems capable of boosting the performances of a computer. However, such memories have to be integrated in series with a Back-End selector device in order to achieve their full performances. The aim of this thesis is to studied the electrical ovonic threshold switching (OTS) in amorphous chalcogenides targeting the development of selector devices. An experimental work evaluate different materials based on the Ge30Se70 and As2Te3 coumpounds. For each material, the structural, optical and electrical properties are characterized. The benchmark and the correlation between the materials highlight the impact of the different elements of the composition on the OTS mechanism. Finally, trade-off, guidlines and methodology are given in order to drive the development of OTS selector according to the specifications to achieve.