Electrical characterization and modeling of random telegraph noise in MIM-like resistive switching devices

Abstract

Metal-insulator-metal (MIM-like) resistive switching (RS) devices have been increasingly studied for several modern and traditional applications, such as information storage, stochastic computing, and bio-inspired computing. The Random Telegraph Noise (RTN) phenomenon is an important metric regarding the robustness of MIM-like RS devices, and it is intrinsic to any dielectric with defects (traps). In this work, a novel model for anomalous RTN (aRTN) is presented, accounting for the existence of coupling effect between multiple traps regarding current amplitude deviation. It was determined that the contribution of one defect to the current deviation leading to RTN is dependent on the state (i.e., occupied or vacant) of other defects, indicating the presence of coupling effects. A model is proposed to the describe the behavior at low reading voltages (∼ 0.1 V) for both low-resistance state (LRS) and high-resistance state (HRS). The model can be applied to help understanding the dynamics of filament distribution and trapping/de-trapping activity. Additionally, a novel observation of trap acitivity is presented, which results in giant random conductance fluctuations, up to 3 orders of mangnitude, resembling RTN in RS devices based on TiO2, HfO2 and hexagonal boron nitride (h-BN) under reading voltages. Considering this behavior, presented for three different switching materials, we show that this is a quite general phenomenon and that this significant on/off ratio, in reading conditions, is reproducible and beneficial to ensure recognition of device’s two-state in applications such as stochastic computing integrated circuits (ICs). These events were reproducible for all the aforementioned RS device types in sequential measurements and under different bias conditions.

Dispositivos de comutação resistiva (RS) estruturados em uma célula do tipo MIM (Metal Isolante Metal) são cada vez mais estudados para diversas aplicações como, por exemplo, no armazenamento de informações, na computação estocástica e na computação inspirada na atividade cerebral. Isso se deve à capacidade desses dispositivos de superar em performance e eficiência os dispositivos atuais, apesar dos desafios relacionados à confiabilidade. O Random Telegraph Noise é um parâmetro relevante para avaliar a robustez de dispositivos memresistivos, relativos à atividade de defeitos (armadilhas). Neste trabalho, um novo modelo para RTN anômalo (aRTN) é apresentado, indicando o acoplamento na amplitude da flutuação de corrente produzida por diferentes armadilhas no mesmo dispositivo. Determina-se que a contribuição de um defeito para o desvio de corrente que leva ao RTN depende do estado (ocupado ou vago) de outra armadilha, caracterizando, dessa forma, o efeito de acoplamento. Propõe-se um modelo elétrico capaz de descrever esse fenômeno para operação de leitura do dispositivo (∼ 0,1 V). Esse modelo pode ser aplicado para melhor compreensão da dinâmica da distribuição dos filamentos na célula e da atividade e interação das armadilhas presentes. Além disso, uma nova observação da atividade de defeitos é apresentada: verificou-se, experimentalmente e em condição de leitura do estado, flutuações significativas na condutância desses dispositivos, que alcançam até 3 ordens de magnitude, semelhantes ao RTNs. Os experimentos foram feitos em dispositivos RS baseados em dielétricos compostos por TiO2, HfO2 e nitreto de boro hexagonal (h-BN). Considerando este comportamento, apresentado para três diferentes materiais de comutação resistiva, verifica-se que este é um fenômeno bastante recorrente e que a significativa relação entre os estados (LRS/HRS), durante a operação de leitura, é reproduzível e benéfica para assegurar o reconhecimento de estados em aplicações como circuitos integrados de computação estocástica (ICs). Esses eventos se mostram reproduzíveis para todos os tipos de dispositivos RS acima mencionados, em medições sequenciais e sob diferentes condições de polarização de leitura.