Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Untersuchung und Modellierung der Zuverlässigkeit resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) werden von Industrie und Forschung als aussichtsreiche Kandidaten für kommende, nichtflüchtige Speicheranwendungen sowie neuromorphe Anwendungen angesehen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, guter Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch gelten sie beispielsweise als potenzielle Nachfolger des etablierten Flash-Speichers.

Das Grundprinzip der Speicherzellen basiert auf der Veränderung des Widerstands eines aktiven Materials, im Fall der hier betrachteten Valenzwechselzellen (VCM) eines Metalloxids. Durch Anlegen einer Spannung an die das Oxid einschließenden Elektroden kann das Oxid teilweise reduziert werden. Durch diesen sogenannten Forming-Prozess entstehen Sauerstoffleerstellen, die die Leitfähigkeit des Oxids deutlich erhöhen können. Mit geeigneten Spannungen lassen sich diese Sauerstoffleerstellen reversibel verschieben, sodass zwischen einem hochohmigen (HRS) und einem niederohmigen (LRS) Zustand geschaltet werden kann. Diese Zustände können ausgelesen werden und entsprechen der logischen ‚0‘ und ‚1‘.

Verschiedene Zufallsprozesse sorgen dafür, dass sich jede Speicherzelle auf kurzen und langen Zeitskalen sowie von Schaltvorgang zu Schaltvorgang unterschiedlich verhält. Vor Allem auf industriellen Maßstäben mit Millionen Zellen und Schaltzyklen ist es von enormer Bedeutung diese Vorgänge zu verstehen und bestmöglich zu kontrollieren.

Ziel dieser Arbeit ist es daher, in enger Zusammenarbeit mit einem Industriepartner den Einfluss einiger dieser Zufallsprozesse auf die Reliability (Zuverlässigkeit) zu erforschen. Dabei sollen industriell hergestellte Speicherzellen untersucht, physikalische Modelle erstellt bzw. erweitert und Konzepte zur besseren Kontrolle der Speicherzellen erarbeitet werden.

Voraussetzungen:

• Interesse und Spaß an experimenteller Arbeit
• Interesse und Spaß an Simulationen/Programmierarbeit
• Teamfähigkeit
• Selbstständige Arbeitsweise

Ansprechpartner:

Nils Kopperberg M.Sc. oder Dr. Stefan Wiefels

Walter-Schottky-Haus, Raum 24C409

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Characterization of irreversible processes in valence change memory (VCM) cells on a sub-nanosecond time scale

Redox-based resistive memories (ReRAMs), have among other emerging memory technologies, a high potential to successfully address the technological barriers that conventional computing architectures face. In addition to have high endurance, long retention, high scalability, and fast writing times, ReRAMs also have potential to be used for neuromorphic applications or in-memory computing.

The use of bipolar memory devices to achieve synaptic connectivity in neural networks is highly dependent on the ability of the devices to perform analogue conductance modulation using electrical stimuli in the form of identical voltage pulses. Typically, the filamentary components of the valence change memory (VCM) type exhibit abrupt SET switching behaviour and gradual RESET switching behaviour. Therefore, obtaining an analogue modulation of the conductance during SET and RESET is a challenge.

In order to achieve analogue writing modes with ultra-short pulses, using a Bias tee we can simultaneously apply a series of ultra-short pulses (ps) and a continuous read voltage. So one can measure the resistance changes while applying pulse trains.

The aim of the thesis is to characterize irreversible processes (such as ion migration), investigate analogue modes of operation, and realize STP/LTP by gradual stepwise switching events in resistive switching valence change memory (VCM). To investigate as many intermediate states as possible, these irreversible processes must be implemented in as small steps as possible. This is realized by applying ultra-short pulses (ps) and measuring the change of resistance. The idea is to generate a linear relationship between the change in resistance and the number of pulses using our ultra-fast RF setup.

The electrical characterization will be conducted on our ultra-fast RF setup, using bias tee, SMU, pulse generator and oscilloscope. The measurements are controlled and evaluated via python code. Thus, basic knowledge of python, MATLAB or any other programming language is desirable.

Requirements:

• Basic programming skills (Ideally python).
• Interest in experimental and multidisciplinary work
• High motivation and self-directed learning/working.

Contact:

Faisal Munir

Walter-Schottky-Haus (WSH), Raum 24B 007

Tel: +49 241 80 27817

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Dr. Stefan Wiefels

Forschungszentrum Jülich (PGI-7)

Tel: +49 2461 61 5881

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Bachelorarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Optimierung der Endurance resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch gelten sie als potentielle Nachfolger des etablierten Flash-Speichers.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird eine Metalloxidschicht durch Anlegen einer Forming-Spannung teilweise reduziert. Die dabei entstehenden Sauerstoffleerstellen sorgen für eine erhöhte Leitfähigkeit der Schicht.

Diese Sauerstoffleerstellen lassen sich durch Anlegen einer Schaltspannung verschieben, sodass die Zelle reversibel zwischen einem hochohmigen (HRS) und einem niederohmigen (LRS) Zustand geschaltet werden kann.

Diese Schaltvorgänge müssen für eine kommerzielle Nutzung der Speicherzellen mehrere Millionen Mal möglich sein, ohne dass das Material versagt.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Einflüsse des Top-Elektrodenmaterials sowie der Schaltspannungen auf die Endurance (Anzahl der Schaltzyklen bis zum Versagen) zu untersuchen. Darauf aufbauend soll das ideale Elektrodenmaterial gewählt werden und die Schaltparameter bezüglich der Endurance optimiert werden.

Voraussetzungen:

• Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit
• Teamfähigkeit
• Selbstständige Arbeitsweise

Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in MATLAB.

Ansprechpartner:

Stefan Wiefels M.Sc. oder
Moritz von Witzleben M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 005a

Tel: 0241/80 278 29

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Physik

Einfluss der Schreibbedingungen auf das Verhalten resistiver Speicherzellen

Resistive Speicherzellen (ReRAM) gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige, nichtflüchtige Speicheranwendungen. Aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten, Skalierbarkeit sowie niedrigem Energieverbrauch könnten Sie in Zukunft den etablierten Flash-Speicher ablösen.

Die Funktionsweise der Speicherzellen basiert auf einer Widerstandsänderung des aktiven Materials, welche durch das Anlegen einer Spannung reversibel hervorgerufen werden kann. Dabei wird zwischen verschiedenen Schaltmechanismen unterschieden. Bei Valenzwechselzellen (VCM) wird das aktive Material durch Anlegen einer Spannung reduziert, sodass sich ein leitfähiges Filament ausbildet.

Die Eigenschaften dieses Filaments (z.B. Durchmesser, Sauerstoffleerstellenkonzentration, etc.) hängen dabei von den Schreibbedingungen ab und beeinflussen die messbaren Größen der Speicherzelle. Zu diesen Größen zählen unter anderem die Anzahl maximal möglicher Schaltzyklen oder die Stabilität des eingeschriebenen Widerstands.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Schreibbedingungen auf die Eigenschaften des Filaments zu ermitteln, sowie bezüglich der Schalteigenschaften der Speicherzelle zu optimieren. Im Rahmen der Arbeit sollen daher resistive Speicherzellen selbstständig hergestellt und elektrisch charakterisiert werden.

Außerdem stehen Modelle zur Verfügung, die den Schaltmechanismus resistiver Speicherzellen abbilden. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Modellen wäre möglich und wünschenswert. Der Fokus der Arbeit soll jedoch auf der elektrischen Charakterisierung liegen.

Voraussetzungen:

Interesse und Spaß an experimenteller, interdisziplinärer Arbeit
Teamfähigkeit
Selbstständige Arbeitsweise
Von Vorteil aber nicht notwendig: Grundkenntnisse in MATLAB

Ansprechpartner:

Stefan Wiefels M.Sc.

Walter-Schottky-Haus, Raum 24B 005A

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Bachelor-, Masterarbeit in
Elektrotechnik/Materialwissenschaften/Chemie/Physik

Defektchemie von neuartigen auf Ba und Co basierten Elektrokatalysatoren zur Wasserelektrolyse

Ziel: Aufklärung der Defektchemie in neuartigen Perovskit-Katalysatoren durch elektrische Charakterisierung.

Die Energiewende benötigt technische Lösungen zur Pufferspeicherung von umweltabhängigen, erneuerbaren Energien zur Anpassung der eingespeisten Leistung an den Strombedarf der Verbraucher um die Flexibilität der Stromproduktion von z.B. Kohlekraftwerken zu ersetzen.

Eine vielversprechende Lösung ist die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe der elektrokatalytischen Wasseroxidation (Wasserelektrolyse). So erzeugter Wasserstoff kann eingelagert und bei Bedarf über Brennstoffzellen wiederum in Energie umgewandelt werden. Momentan mangelt es jedoch an kostengünstigen Katalysatoren, die geeignet sind einen dauerhaften und effizienten Einsatz zu gewährleisten. Das größte Verbesserungspotential wird an der Sauerstoffanode gesehen, weshalb sich diese Masterarbeit mit einem Materialsystem beschäftigt, dass für die Sauerstoffentwicklung entwickelt wurde.

Eine Abschlussarbeit in diesem Themenbereich würde folgende Aspekte beinhalten:

• Herstellung und Lithografie von Dünnen Schichten
• Elektrische, strukturelle und elektrochemische Charakterisierung
• Auseinandersetzung mit Modellen der Defektchemie

Voraussetzungen

Zuverlässigkeit; Lösungsorientiertes Denken; Grundkenntnisse der Festkörper- und Oberflächenphysik sowie der physikalischen und der allgemeinen Chemie; Überdurchschnittliche Studienleistungen; Spaß an experimenteller, multidisziplinärer Arbeit in gruppenübergreifenden Teams.

Ansprechpartner

Daniel Bick

E-mail: Bitte diesem Link folgen.

oder: Dr. Ilia Valov

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