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Mestrado em Engenharia Física As memórias ReRAM, acrónimo de resistive (switching) random access me-mories, apresentam-se como candidatas a liderar a nova geração de memórias não voláteis e baseiam-se na comutação elétrica da resistência de um material, fenómeno conhecido por resistive switching (RS). A investigação do RS em estruturas que incorporam materiais compatíveis com a tecnologia CMOS, atualmente a tecnologia dominante na fabricação de circuitos integrados, como o óxido de silício ou o óxido de zircónio, poderá facilitar uma futura introdução no mercado de dispositivos baseados neste fenómeno. Nesta dissertação, estruturas Au/óxido/TiN, obtidas pela deposição de lmes nos de óxidos de silício e de zircónio por pulverização catódica assistida por magnetrão, foram estudadas através de medidas de características corrente tensão (I 􀀀 V ) e espectroscopia de impedância (IS). Nas estruturas com SiOx, as características I 􀀀 V exibem RS com aspecto bipolar, com razões entre a resistência no estado de alta resistência (HRS) e no estado de baixa resistência (LRS) superiores a 100, para uma tensão de 1 V. O RS observado é sensível à exposição do elétrodo de Au à atmosfera, condição que promove o RS. A tensão necessária para induzir a transição do estado HRS para o estado LRS aumenta com a diminuição do tempo em que é aplicada. A diminuição da temperatura provoca uma diminuição da resist ência no estado LRS e um aumento da mesma no estado HRS, sendo este último descrito pela ativação térmica de portadores de carga, com energias de ativação de 0,46 e 4,3 meV na região de 6 a 130 K. A dependência fraca da resistência com a área dos elétrodos de Au e a invariância da capacidade da estrutura de estado para estado sugerem que o mecanismo responsável pelo RS é de carácter lamentar. Dada a importância do oxigénio, a criação e disrupção dos lamentos deve envolver reações de oxidação e redução. As estruturas com ZrO2 também exibem RS com aspecto bipolar, com uma razão de cerca de 100 entre a resistência no estado HRS e LRS, a 1 V. No entanto, a exposição à atmosfera tem um efeito contrário ao observado com o SiOx, já que faz diminuir consideravelmente a razão entre estas resistências. A obtenção de uma razão maior com a utilização de medições pulsadas evidencia a existência de processos concorrenciais no RS. Os espectros de imped ância mostram um comportamento semelhante às estruturas com SiOx, embora se veri que uma maior dependência com a área dos elétrodos, o que inviabiliza um modelo baseado na criação e disrupção de um lamento único. A adição de uma camada de óxido de germânio (GeOx) entre o elétrodo de Au e o lme de ZrO2 melhora a repetibilidade das características I 􀀀 V . The ReRAM, acronym of resistive (switching) random access memories, are candidates to lead the new generation of non-volatile memories and are based on a phenomenon known as resistive switching (RS). Research on RS in structures containing materials that are compatible with the CMOS technology, nowadays the leading technology in the fabrication of integrated circuits, such as silicon oxide or zirconium oxide, may favour the future market introduction of RS-based devices. In this dissertation, Au/oxide/TiN structures, obtained by magnetron sputtering deposition of thin lms of silicon and zirconium oxides, were investigated by means of current voltage (I 􀀀 V ) characteristics and impedance spectroscopy (IS). In the SiOx strucuture, the I 􀀀 V characteristics exhibit bipolar-like RS, with a ratio between the resistances of the high resistance state (HRS) and the low resistance state (LRS) larger than 100, at 1 V read voltage. The observed RS is sensitive to the Au electrode exposure to the atmosphere, that enhances the RS. A decrease in the voltage application time leads to an increase in the voltage required to induce the transition from HRS to LRS. Whereas the LRS's resistance decreases with decreasing temperature, in the HRS the resistance increases as the temperature drops. The latter state's resistance temperature dependence is described by a thermal activation of charge carriers, with activation energies of 0.46 and 4.3 meV in the 6 to 130 K temperature region. The weak dependence of the resistance with the Au electrode area and the invariance of the structure's capacitance between the states suggest a lamentary mechanism for the observed RS. Due to the oxygen's in uence on the RS, the creation and disruption of the laments should involve redox reactions. The ZrO2 structures also exhibit bipolar-like RS, with a ratio of ca. 100 between the resistance of the HRS and of the LRS, read at 1 V. However, the atmospheric exposure decreases the above mentioned ratio, having the opposite e ect on the RS, relatively to the SiOx case. The increase in this ratio via pulsed measurements evidences the existence of competing processes in the RS. The impedance spectra show a similar behavior between this structures and the SiOx ones, even though there is a bigger dependence on the electrode area, behavior that deviates from a single lament model. The addition of a germanium oxide (GeOx) layer between the Au electrode and the ZrO2 lm enhances the repeatibility of the I 􀀀 V characteristics.

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro, Mônica Alonso Cotta Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Os mecanismos de confinamento e transporte em escala nanométrica continuam a ser um desafio em Física do Estado Sólido, uma vez que tanto a dimensionalidade quanto o tamanho dos dispositivos continuam a ser reduzidos. Desta forma, o estudo e entendimento do transporte em materiais amorfos e nano-cristalinos, que apresentam acoplamento de processos de transporte eletrônico e iônico é de grande relevância atualmente. Neste sentido, aplicações tecnológicas que incluem desde o desenvolvimento de sensores (TiO2) até a fabricação de novos dispositivos de memórias com características não voláteis ¿ dispositivos memoristores ¿ podem ser citadas. Esta tese consiste no estudo de propriedades de transporte em nanoestruturas semicondutoras. Dois tipos de estruturas são investigados: i) pontos quânticos autoformados de InAs sobre substratos de GaAs, e ii) dispositivos memoristores produzidos por meio de litografia por oxidação anódica local (LAO), considerando estruturas do tipo Ti-TiO2-Ti. Técnicas de Espectroscopia de Capacitância, considerando fatores de tipo estrutural (barreira de tunelamento) e experimental (temperatura, frequência e voltagem), podem ser utilizadas para a determinação dos mecanismos de transporte, densidades de estados, concentração de impurezas etc, no caso do sistema III-V InAs/GaAs. No caso do TiO2, crescido por meio de Sputtering DC, processos de caracterização permitem apontar características ópticas, por meio de Elipsometria, características estruturais, por Microscopia de Força Atômica (AFM) e Difração de Raio-X (XRD), e a composição química, por Espectroscopia de Fotoelétrons por Raio-X (XPS) e Retro-Espalhamento Rutherford (RBS). Finalmente, a litografia por oxidação anódica local pormeio de AFM permite desenhar as estruturas do tipo metal-óxido-metal, que apresentam características elétricas de chaveamento entre estados de alta e baixa condutividade, dependentes da frequência ¿ sinais típicos do comportamento memoristivo. O estudo dos pontos quânticos permite calibrar os mecanismos de transporte por meio de Espectroscopia de Capacitância. Já os dispositivos memoristores, conformados por estruturas planares, e fabricados neste trabalho por meio de litografia por oxidação local, permitem identificar importantes características elétricas retificadoras que apresentam um comportamento elétrico não volátil. Estas características memoristivas são promissoras, pois possibilitam avançar no entendimento e fabricação de um novo tipo de dispositivos com o potencial de se tornar uma nova geração de dispositivos de memória não voláteis Abstract: As the dimension and size of electronic devices continue to be reduced, confinement and transport mechanisms at nanometric scale remains nowadays as a great challenge in Solid State Physics. Thus, the study and understanding of transport processes in amorphous and nanocrystalline materials ¿ characterized by the coupling of electronic and ionic behavior ¿ becomes highly relevant currently. Technological applications comprise for example the development of sensors (TiO2) and the fabrication of new memory devices with non volatile characteristics ¿ memristor devices. This thesis is intended to study transport properties in semiconducting nanostructures. Two different kinds of structures are investigated: i) self-assembled InAs quantum dots grown on GaAs substrates and ii) memristor devices produced by means AFM Local Anodic Oxidation Lithography (LAO), considering planar Ti-TiO2-Ti structures. Considering structural (tunneling barrier) as well as experimental factors (temperature, frequency and gate bias), Capacitance Spectroscopy is implemented here. This technique supplies information for the determination of transport mechanisms, density os states, concentration of impurities etc, considering the III-V system (InAs/GaAs). In the case of the TiO2 thin films are prepared by means of Sputtering DC. A characterization process permits to point out optical properties, by means of Elipsometry, structural properties, by means of Atomic Force Microscopy and X-Ray Diffraction, and chemical characteristics, by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Rutherford Backscattering (RBS). Finally, an AFM Local Anodic Oxidation lithography technique permits to design metal-oxide-metal structures. These structures are characterized by frequency-dependent conductive switching states ¿ typical signature of memristive behavior. Quantum dots studies permit to perform a calibration of transport mechanisms by means of Capacitance Spectroscopy. On the other hand, the planar memristor devices fabricated in this work by means of Local Anodic Oxidation present important rectifying electrical characteristics with non volatile behavior. This memristor approach permits to put forward in the understanding and fabrication of a new family of devices with the potential to become a new generation of non volatile memory devices Doutorado Física da Matéria Condensada Doutor em Ciências