Medida de la temperatura de filamentos conductores en memorias RRAM: claves para mejorar el funcionamiento y eficiencia de dispositivos de memoria

Mayo - 5. 2022  Publicado en la prestigiosa revista Science, se trata de una investigación liderada por la universidad de Stanford (California) con la contribución del investigador Dr. Miguel Muñoz Rojo recientemente incorporado al Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC.

Medida de la temperatura de filamentos conductores en memorias RRAM: claves para mejorar el funcionamiento y eficiencia de dispositivos de memoria

Proceso medición térmica de filamentos en memorias RRAM a través de microscopía de barrido térmico (SThM)

Las memorias resistivas de acceso aleatorio (RRAM- Resistive Random-Access Memory) son candidatos prometedores tanto para el almacenamiento de datos de alta densidad digital como para la computación neuromórfica analógica. Esta última es la base de nueva tecnología que busca emular el funcionamiento de las redes neuronales biológicas eficientes.

Las memorias RRAM basan su funcionamiento en la formación y ruptura de filamentos conductores en la nanoescala que presentan unos pocos nanómetros de diámetro. Estos filamentos transportan enormes densidades de corriente que resultan en altas temperaturas.  El comportamiento térmico de estos filamentos se encuentra en el corazón de esta tecnología, pero poco se sabe experimentalmente sobre este. Una compresión fundamental de la temperatura de dichos filamentos es esencial para el desarrollo de dispositivos más eficientes y para evitar diafonía térmica en futuras matrices densas de RRAMs.

Este trabajo, realizado en el grupo del Prof. Eric Pop en la Universidad de Stanford, ha sido pionero en medir directamente la temperatura de los filamentos de memorias RRAM de óxido de Hafnio (HfO2) con diferentes electrodos, como TiN o grafeno, durante la operación del dispositivo. Para ello, se usaron técnicas avanzadas de microscopía de barrido térmico (Scanning Thermal Microscopy (SThM) y termometría de Raman) con resolución en la nanoescala.

Los resultados determinan que filamentos conductores de aproximadamente 4 nanometros pueden alcanzar temperaturas superiores a 1000 K durante su funcionamiento. Esto permite resolver un problema fundamental pero esquivo que ha existido durante décadas en la comunidad de almacenamiento de datos, es decir la visualización de la extensión espacial y la temperatura de operación de filamentos en RRAMs basados en óxidos de metal.

“El entendimiento del calentamiento de estos filamentos nos permite incorporar en el futuro técnicas de ingeniería térmica en el diseño de dispositivos y arquitectura electrónicas que permitan una mejora de su funcionamiento y eficiencia energética”, aclara Miguel Muñoz, con contribución compartida como primer autor del estudio junto con Dr. Sanchit Deshmukh del grupo del Prof. Pop. “La caracterización experimental del calentamiento de estos filamentos ha sido un desafío de larga duración debido a la complejidad de medir puntos calientes tan localizados en la nano-escala” apunta el investigador.

La ingeniería térmica de dispositivos electrónicos en la nano-escala permite afrontar uno de los desafíos de la sociedad moderna relacionado con la disipación y el desperdicio de energía causado por la electrónica integrada. Comprender las propiedades térmicas y la disipación de energía de dispositivos electrónicos es esencial para lograr un mejor funcionamiento, incrementar su eficiencia energética y extender su vida útil. Además, la gestión avanzada de este calor para su re-utilización, conversión o almacenamiento de energía puede contribuir a circuitos más sostenibles. El Dr. Miguel Muñoz Rojo (https://finder.imn-cnm.csic.es/our-team/miguel-munoz-rojo/), recientemente incorporado al CSIC como científico titular, dedica sus esfuerzos actuales al desarrollo de una línea de investigación en estos campos haciendo usando de su experiencia acumulada a lo largo de su trayectoria científica.

Referencia artículo: Direct measurement of nanoscale filamentary hot spots in resistive memory devices - DOI: 10.1126/sciadv.abk1514

Para más información contactar Miguel Muñoz Rojo - m.m.rojo@csic.es

Más info:  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1514

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