Doctorado en Ingeniería
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Item Degradación de estructuras MOS (metal-óxido-semiconductor) y sus aplicaciones.(Escuela de Posgrado - UTN FRBA, 2021-08-30) Aguirre, Fernando Leonel; Palumbo, Félix Roberto Mario; Julián, PedroHistóricamente la mejora de rendimiento de los circuitos microelectrónicos ha ido asociada a un aumento en la cantidad de transistores por unidad de área. Esto ha sido posible debido a una reducción sostenida en el tamaño y costo de cada dispositivo. Sin embargo, el ritmo de miniaturización se ha ralentizado sensiblemente en los últimos años, por limitaciones tanto económicas como tecnológicas, con lo que la industria nano-electrónica se ha visto forzada a buscar alternativas considerando nuevos materiales así como también el cambio de los paradigmas computacionales. En ambos casos, la confiabilidad es un apartado clave en el desarrollo de las tecnologías de integración venideras. Pero así como la introducción de materiales novedosos siembra interrogantes a responder en el ámbito de la fiabilidad, también da lugar a nuevas aplicaciones y al surgimiento de tecnologías disruptivas. En esta tesis, se discuten los principales fenómenos de degradación observados en estructuras MOS (Metal-Óxido-Semiconductor) implementadas con materiales alternativos, así como las oportunidades que estas brindan para la aparición de alternativas superadoras frente a la microelectrónica convencional. Para ello, se plantea en primera instancia el estudio de la degradación y ruptura en estructuras basadas en semiconductores de alta movilidad y óxidos delgados no nativos como reemplazo de la combinación silicio-di ´oxido de silicio (Si/SiO2). En segundo lugar, el fenómeno de ruptura dieléctrica reversible en aislantes de alta constante dieléctrica ha dado lugar a su aplicación como dispositivo de memoria y sinapsis artificial en circuitos neuromórficos, los cuales son un cambio disruptivo respecto a los actuales sistemas de cómputo y tienen múltiples aplicaciones en el paradigma del Internet del Todo (Internet of Everything, IoE), el reconocimiento de patrones y la inteligencia artificial, solo por citar algunos ejemplos. Con respecto al estudio de la confiabilidad a nivel de los dispositivos nanoelectrónicos, se analiza el origen e impacto de los defectos del óxido en la dinámica de degradación de estructuras MOS sobre sustratos de alta movilidad, llamados a ser el reemplazo de la tecnología Si/SiO2. Se abordan los efectos del proceso de fabricación sobre la distribución de defectos y el atrapamiento de carga, reportando las diferencias entre los principales candidatos. A su vez, se estudia la mecánica de generación de defectos en óxidos delgados de alta constante dieléctrica, como origen de la ruptura dieléctrica. Se reporta la influencia de las propiedades intrínsecas de óxidos de alta constante dieléctrica en la estadística de ruptura de dispositivos MOS, así como de la densidad de defectos. Para ello, se han llevado adelante complejos experimentos de irradiación altamente localizada a fin de alterar artificialmente la concentración de defectos. Como resultado, se reporta evidencia experimental que deja entrever la naturaleza correlacionada de la generación de defectos en materiales de alta constante dieléctrica, ayudando a comprender mejor el fenómeno de ruptura. Si bien la ruptura dieléctrica representa un desafío de confiabilidad, el mecanismo físico subyacente es al mismo tiempo responsable de posibilitar el funcionamiento de las memorias de conmutación resistiva, de gran utilidad en aplicaciones de almacenamiento de información y circuitos neuromórficos. En este trabajo de tesis, se discuten los aspectos temporales del evento de conmutación tanto en memorias no volátiles como volátiles, utilizando aislantes de alta constante dieléctrica así como nitruro de boro hexagonal (h-BN), un aislante de dos dimensiones (2D) que representa una alternativa con considerable potencial tecnológico. Se contribuye con una interpretación para la velocidad de la conmutación centrada en el papel de la temperatura y las características intrínsecas y geométricas del medio de conmutación. Justamente la aplicación de memorias de conmutación resistiva en circuitos neuromórficos es el foco de estudio en la segunda parte de esta tesis. Los mismos son de gran interés dada su capacidad para procesar grandes volúmenes de información con baja latencia y bajo consumo de energía, sin mencionar la gran densidad de dispositivos integrables por unidad de área. Sin embargo, las múltiples no-dealidades que dominan el funcionamiento de estos dispositivos suponen un problema para su desarrollo futuro. En este contexto, se presenta la relación entre confiabilidad y rendimiento en redes neuronales implementadas en hardware mediante crossbars de memorias de conmutación resistiva y destinadas al reconocimiento de patrones. Para ello se propone un flujo integral que contempla el modelado eléctrico de la física de conmutación resistiva, el entrenamiento de redes neuronales para la clasificación de imágenes, su representación a nivel circuital y simulación eléctrica contemplando la posible existencia de fallas de enclavamiento distribuidas aleatoriamente. En relación al último punto, se plantean también métodos para mitigar las consecuencias de las mismas. Puntualmente, se reportan resultados considerando perceptrones mono y multi capa, destacándose el impacto de la resistencia parásita de las interconexiones, las características eléctricas de las dispositivos de conmutación resistiva y el impacto de las mencionadas fallas de enclavamiento.Item Desafíos de Confiabilidad en dispositivos MetalÓxido- Semiconductor y circuitos integrados de radiofrecuencia.(Escuela de Posgrado - Facultad Regional Buenos Aires, 2021-03-09) Pazos, Sebastián Matias; Palumbo, Félix Roberto Mario; Silveira Noguerol, FernandoEl paradigma de la miniaturización se ha encontrado con limitaciones, tanto económicas como tecnológicas, que atentan contra la mejora sostenida del rendimiento de los circuitos electrónicos. Garantizar la confiabilidad tanto a nivel físico de la estructura de un transistor como también a nivel de su aplicación en circuitos elaborados, es un eslabón fundamental en el proceso de maduración de las tecnologías de integración. Esta tesis versa sobre importantes desafíos que se presentan en esta materia para la próxima generación de dispositivos y circuitos integrados, llamados a extender la mejora continua de los sistemas nanoelectrónicos observada en las últimas tres décadas. A lo largo de este trabajo se busca un enfoque integral al estudio de la confiabilidad, analizada a través de dos ejes centrales del futuro de la tecnología electrónica: por un lado, el cambio del sistema de materiales utilizados en dispositivos basados en óxidos delgados en reemplazo del sistema silicio-dióxido de silicio; por otro lado, las exigencias en circuitos integrados basados en transistores de efecto de campo para aplicaciones de radiofrecuencia, tecnología esencial en el escenario del Internet de las Cosas. Estos dos ejes se encuentran al evaluar el impacto de la degradación de los dispositivos semiconductores sobre el funcionamiento de circuitos complejos, analizando las limitaciones y alternativas de diseño para maximizar la relación de compromiso entre desempeño y confiabilidad. Sobre el eje de los dispositivos nanoelectrónicos, se centra la atención en la degradación de los aislantes delgados. Desde el punto de vista de la ruptura dieléctrica, en este trabajo se reporta la influencia de las propiedades térmicas de óxidos de alta constante en la ruptura de dispositivos metal-aislante-metal y metal-aislante-semiconductor. A su vez, se propone una interpretación para el rol de óxidos bicapa en la velocidad de la ruptura bajo estrés eléctrico, centrada en el papel de la temperatura en la ruptura progresiva. A su vez, se estudia el origen e impacto de los defectos del óxido en estructuras metalóxido- semiconductor sobre sustratos de alta movilidad, llamados a ser reemplazo de la tecnología silicio-dióxido de silicio. Se discute sobre el rol de la distribución de defectos, el atrapamiento de carga y los procesos de fabricación, reportando claras diferencias entre indicadores de calidad ampliamente utilizados en la literatura para caracterizar estos dispositivos. Como alternativa novedosa de considerable potencial tecnológico, se extiende el análisis sobre el nitruro de boro hexagonal, un aislante en dos dimensiones con interesantes propiedades como posible elemento de memoria no volátil. La adquisición y procesamiento del ruido eléctrico durante la ruptura del aislante se presenta como una herramienta útil para la identificación de los defectos que promueven la ruptura del mismo y que pueden resultar limitantes en aplicaciones proyectadas para este material. Sobre el segundo eje troncal de esta tesis, y como aplicación fundamental dentro de los sistemas integrados, se estudia el impacto del envejecimiento de los dispositivos electrónicos sobre el desempeño de circuitos de radiofrecuencia en tecnologías metalóxido- semiconductor complementarias. Desde la perspectiva de un diseñador y desde etapas tempranas de diseño, se demuestran las relaciones de compromiso entre confiabilidad y rendimiento, se provee un enfoque por exploración del espacio de diseño para optimizar estas relaciones en amplificadores de potencia en la banda de 2.4 GHz y se sugieren estrategias de recuperación integradas para paliar la degradación paramétrica de los dispositivos. Esto se propone dentro de un flujo de simulación integral que contempla la física detrás de la variación de parámetros eléctricos y del ruido de los dispositivos involucrados, respectivamente verificados en forma experimental. Puntualmente, se reportan resultados de la importancia de tal enfoque sobre osciladores controlados por tensión. Se destaca el impacto del aumento del ruido bajo condiciones de estrés en los transistores y se propone una metodología de simulación que refleje este fenómeno en el desempeño de los osciladores durante el diseño.