Tesis para optar por el título de Doctor en Ciencia y Tecnología,
mención Física, 2018.

Director: Dr. Federico GOLMAR. INTI, UNSAM, CONICET - Argentina.

Codirector: Dr. Pablo LEVY. CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina.

Lugar de realización: Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina.

Fecha Defensa: 26/03/2018.

Jurado: Dr. Carlos ACHA. UBA, CONICET - Argentina.
Dr. Martín Alejo ALURRALDE. CNEA, UNSAM - Argentina.
Dra. María Andrea UREÑA. UBA, CONICET - Argentina.

En los últimos años han emergido un gran número de alternativas a las memorias flash contemporáneas. Una de las tecnologías candidata son las memorias ReRAM. El principio de funcionamiento de esta tecnología es la Conmutación de Resistencia: el cambio reversible y no-volátil de la resistencia eléctrica de un material frente a la aplicación de estímulos eléctricos. El efecto se manifiesta en una gran variedad de óxidos. En esta Tesis, trabajamos con TiO2 formando una estructura tipo capacitor, metal-óxido-metal, que hemos construido utilizando procesos de fabricación en sala limpia. Mediante técnicas como fotolitografía, sputtering, ataques húmedos y secos fabricamos dispositivos de geometría vertical para estudiar sus propiedades eléctricas. Estudiamos la física asociada al mecanismo de conmutación y sus mecanismos de conducción. Encontramos que los dispositivos fabricados por procesos tipo lift-off presentan gran variabilidad en sus características eléctricas. Hallamos que modificando el electrodo inferior del dispositivo, se mejora el rendimiento de la producción, en tanto que el mecanismo de conmutación y su carácter bipolar no fueron afectados por estas modificaciones.

Además de la aplicación en circuitos lógicos como memorias, el fenómeno de la Conmutación de Resistencia puede ser explotado en áreas como diagnóstico médico por imágenes, detección de partículas en física experimental y en la industria aeroespacial. Esto es debido a su gran tolerancia frente a radiación ionizante en comparación a la tecnología CMOS utilizada actualmente. Estudiamos el comportamiento eléctrico de dispositivos basados en TiO2 en ambientes hostiles con radiación ionizante. Evaluamos su robustez en presencia de partículas cargadas y rayos gamma. Particularmente, encontramos que soportan altas fluencias de protones de alta energía y pueden operar en órbitas de baja altitud.

Entre los entornos de radiación ionizante donde caracterizaremos a los dispositivos encontramos aceleradores de partículas como fuente de protones y satélites en órbitas terrestres de baja altitud. La necesidad de realizar mediciones en forma remota y con un instrumento portátil en dichos entornos motivó el desarrollo del controlador LabOSat (acrónimo de “Laboratory On a Satellite'”). Debido a que durante las últimas décadas el sector de investigación y desarrollo dedicado a la ciencia espacial ha recurrido al uso de satélites siguiendo la norma CubeSat para realizar sus experimentos, diseñamos a LabOSat para maximizar la compatibilidad con este formato de satélites.

El diseño y desarrollo del controlador, LabOSat, se realizó para operar en entornos con condiciones extremas como baja presión, baja temperatura y radiación ionizante. Como resultado, conseguimos desarrollar un instrumento de dimensiones reducidas, de peso liviano, portátil, con tolerancia a radiación y de bajo costo dedicado a la caracterización de componentes electrónicos en ambientes hostiles. Hemos validado al controlador como plataforma experimental para el estudio de dispositivos luego de ensayarlo en ambientes hostiles: LabOSat superó exitosamente pruebas de concepto en órbitas de baja altitud, soportó fluencias de protones de alta energía y demostró operar correctamente bajo altos flujos de neutrones térmicos y epitérmicos. Dicha validación nos permitió utilizar LabOSat para estudiar celdas de memoria de TiO2 en órbitas a 500 km sobre el nivel del mar.

English version:

In recent years, a large number of alternatives to contemporary flash memories have emerged. ReRAM memories are one of the candidate technologies. The principle of operation of this technology is Resistance Switching: the reversible and non-volatile change of the electrical resistance of a material against the application of electrical stimuli. The effect is exhibited in a wide variety of oxides. In this Thesis, we work with TiO2 forming a metal-oxide-metal capacitor-like structure which we have built using manufacturing processes within clean room facilities. Through techniques such as photolithography, sputtering, wet and dry attacks we manufacture vertical geometry devices to study their electrical properties. We study the physics associated with the switching mechanism and its driving mechanisms. We find that the devices manufactured by processes type lift-off present great variability in their electrical characteristics. We found that modifying the lower electrode of the device improves the yield of production, while the switching mechanism and its bipolar character were not affected by these modifications.

In addition to logic circuits such as memories, Resistive Switching can be exploited in areas such as medical imaging diagnosis, particle detection in experimental physics and in the aerospace industry. This is due to its great tolerance against ionizing radiation compared to the currently used CMOS technology. We study the electrical behavior of TiO2-based devices in hostile environments with ionizing radiation. We evaluate its hardness in the presence of charged particles and gamma rays. In particular, we find that they withstand high fluences of high-energy protons and can operate in low-altitude orbits.

Among the hazardous environments where we characterize the devices, we find particle accelerators as a source of protons and satellites in Low Earth Orbits. The need to perform measurements remotely using a compact instrument in these environments motivated the development of custom controller named LabOSat (acronym for “Laboratory On a Satellite”). Due to the fact that during the last decades the research and development sector devoted to space science has been using satellites following the CubeSat standard to carry out their experiments, we designed LabOSat to maximize compatibility with this satellite format.

The design and development of the LabOSat controller was carried out to operate in environments with extreme conditions such as low pressure, low temperature and ionizing radiation. As a result, we were able to develop an instrument of reduced dimensions, light-weight, portable, with tolerance to radiation and low cost dedicated to the characterization of electronic components in hostile environments. We have validated the controller as an experimental platform for the study of devices after testing it in hostile environments: LabOSat successfully passed proof-of-concept tests in Low Earth Orbits, withstood fluences of high-energy protons and proved to operate correctly under high fluxes of thermal neutrons and this validation allowed us to use LabOSat to study memory cells of TiO2 in orbits at 500 km above sea level.