Study and development of resistive memories for flexible electronic applications

The advent of flexible electronics has brought about rapid research towards sensors, bio implantable and wearable devices for assessment of diseases such as epilepsy, Parkinson’s and heart attacks. Memory devices are major component in any electronic circuits, only secondary to transistors, therefore many research efforts are devoted to the development of flexible memory devices. Conductive Bridge Random Access Memories (CBRAMs) based on creation/dissolution of a metallic filament within a solid electrolyte are of great research interest because of their simple Metal Insulator Metal architecture, low-voltage capabilities, and compatibility with flexible substrates. In this work, instead of a conventional metallic oxide or a chalcogenide layer, a biocompatible polymer - Polyethylene Oxide (PEO) – is employed as the solid electrolyte layer using water as solvent. Memory devices, consisting in Ag/PEO/Pt tri-layer stacks, were fabricated on both silicon and flexible substrates using a heterogeneous process combining physical vapour deposition and spin coating. To aim this, a systematic study on the effect of solution concentration and deposition speed on the PEO thickness is presented. SEM/EDX and AFM measurements were then conducted on devoted “nano-gap” planar structures and have revealed the formation of metallic Ag precipitates together with morphological changes of the polymer layer after resistance switching. The performance of the resistive memory devices is then assessed on silicon and flexible substrates. In particular programming voltage statistics, OFF/ON resistance ratio, endurance cycles and retention tests are performed and the effect of current compliance is analysed. The conduction mechanism in the HRS/LRS is studied on the Ag/PEO/Pt and Pt/PEO/Pt reference devices. Finally, the electrical characterization of devices on flexible substrate is performed under mechanical stress, showing promising results. Polymer-based CBRAM devices are therefore suggested as potential candidates for sustainable development of flexible memory devices.
L’avènement de l’électronique flexible a entraîné des recherches rapides sur des capteurs, des dispositifs bio-implantables et portables pour l’évaluation de maladies telles que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et les crises cardiaques. Les dispositifs de mémoire sont des composants majeurs dans tous les circuits électroniques, uniquement secondaires aux transistors, par conséquent de nombreux efforts de recherche sont consacrés au développement de dispositifs de mémoire flexibles. Les mémoires à accès aléatoire à pont conducteur (CBRAM) basées sur la création / dissolution d'un filament métallique dans un électrolyte solide sont d'un grand intérêt pour la recherche en raison de leur architecture métallique isolante métallique simple, de leurs capacités basse tension et de leur compatibilité avec les substrats flexibles. Dans ce travail, au lieu d'un oxyde métallique conventionnel ou d'une couche de chalcogénure, un polymère biocompatible - l'oxyde de polyéthylène (PEO) - est utilisé comme couche d'électrolyte solide en utilisant l'eau comme solvant. Des dispositifs de mémoire, constitués d'empilements tri-couches Ag / PEO / Pt, ont été fabriqués à la fois sur du silicium et des substrats flexibles en utilisant un processus hétérogène combinant un dépôt physique en phase vapeur et un revêtement par rotation. Pour cela, une étude systématique de l'effet de la concentration de la solution et de la vitesse de dépôt sur l'épaisseur du PEO est présentée. Des mesures SEM / EDX et AFM ont ensuite été effectuées sur des structures planes dédiées à «nano-gap» et ont révélé la formation de précipités métalliques d'Ag ainsi que des changements morphologiques de la couche de polymère après commutation de résistance. Les performances des dispositifs de mémoire résistive sont ensuite évaluées sur silicium et substrats flexibles. En particulier, la programmation des statistiques de tension, le rapport de résistance OFF / ON, les cycles d'endurance et les tests de rétention sont effectués et l'effet de la conformité du courant est analysé. Le mécanisme de conduction dans le HRS / LRS est étudié sur les appareils de référence Ag / PEO / Pt et Pt / PEO / Pt. Enfin, la caractérisation électrique des dispositifs sur substrat souple est réalisée sous contrainte mécanique, donnant des résultats prometteurs. Les dispositifs CBRAM à base de polymères sont donc proposés comme candidats potentiels pour le développement durable de dispositifs de mémoire flexibles.