KR102310913B1 - 액상 저항변화 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 낮은 전력 소비 및 높은 전력 효율로 작동할 수 있으며 뉴로모픽 특성들을 가지는 액상 저항변화 메모리 소자를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자는, 기판; 상기 기판 상에 위치한 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화층; 및 상기 액상 저항변화층 상에 접촉하는 상부 전극;을 포함한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액상 저항변화 메모리 소자 및 뉴로모픽 응용에 관한 것이다.
저항변화 랜덤 액세스 메모리(Resistive-switching random-access memory, RRAM) 소자는 단순한 소자 구조, 빠른 스위칭 속도, 및 우수한 집적도 등을 장점을 가지므로, 고밀도 메모리로서 제조될 수 있다. 따라서, 저항변화 랜덤 액세스 메모리 소자는 차세대 메모리 소자로서 부각되고 있다. 특히, 상기 저항변화 랜덤 액세스 메모리 소자는 인체의 뇌의 구조와 기능을 모방하는 뉴로모픽(neuromorphic) 소자들로서 응용될 수 있다.
인체의 뇌는 수많은 뉴런들의 네트워크들로 구성되어 있다. 반도체 소자들과 비교하면, 인체의 뇌는 보다 효과적이고 소비 에너지가 작은 특징이 있다. 뉴런은 중앙 세포 몸체를 포함하고, 이로부터 좁고 길게 연장된 수많은 축삭돌기(axon)들을 가진다. 상기 뉴런은 다른 뉴런과 직접적으로 연결되지 않고 연접부(synapse)를 통하여 간접적으로 연결된다. 상기 뉴런의 세포막인 신경초(neurilemma)는 분극 상태를 가지며, 구체적으로 세포 내부는 칼륨 이온들(K+)을 고농도로 포함하고, 세포 외부는 나트륨 이온들(Na+)을 고농도로 가진다. 이때, 세포막의 이온 채널 및 이온 펌프를 통해 이동하는 이온의 움직임에 의하여 세포 내부와 외부 사이의 전위 차이가 변화하고, 이를 기반으로 신경계 내에서 전기적 신호를 전달한다. 하나의 연접부에서 축삭돌기가 자극되면, 상기 신경초에서 탈분극이 야기된다. 이러한 탈분극은 이어지는 연접부에 도달할 때까지 상기 축삭돌기를 따라서 전달되고, 이에 따라 상기 연접부에서 신경전달물질들을 방출하게 되고, 다른 뉴런의 점화를 자극하거나 억제할 수 있다. 또한 자극의 주파수가 변화되면, 수용 뉴런의 민감도가 변화되고, 이러한 "가소성(plasticity)"에 따라 학습이 이루어진다.
이러한 인체의 뇌의 연접부들은 낮은 전력을 소비하고, 높은 효율을 가지며, 단지 수십 밀리볼트의 수준의 활동전위를 나타낸다. 따라서, 인공적인 메모리 연구에 있어서, 상술한 인체의 뇌의 낮은 전력 소비 및 높은 전력 효율로 작동할 수 있는 반도체 소자들을 개발하는 것이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 전력 소비 및 높은 전력 효율로 작동할 수 있으며 뉴로모픽 특성들을 가지는 액상 저항변화 메모리 소자를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 그 내부에서 필라멘트가 형성되는 액상 저항변화층을 포함하는 액상 저항변화 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 기판; 상기 기판 상에 위치한 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화층; 및 상기 액상 저항변화층 상에 접촉하는 상부 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하부 전극에 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 이온 물질이 상기 액상 저항변화층 내로 제공되고, 상기 이온 물질이 상기 상부 전극에서 환원되어 중성 물질을 형성하고, 상기 중성 물질이 상기 필라멘트를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화층은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속이온함유 용액은 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속이온함유 용액은 1 mM 내지 3 M 범위의 농도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하부 전극은 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하부 전극은 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화층은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함하고, 상기 하부 전극에 제1 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 상기 금속이온이 상기 액상 저항변화층 내로 제공되고, 상기 금속이온이 상기 상부 전극에서 환원되어 금속을 형성하고, 상기 금속이 결합하여 상기 필라멘트를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 하부 전극에 상기 제1 바이어스와는 반대인 제2 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 상기 액상 저항변화층 내로 상기 금속이온의 제공이 중단되고, 이에 따라 상기 필라멘트가 파괴될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 기판은 상기 액상과 반응하지 않는 고체 물질과 상기 액상과 반응하지 않는 부도체 물질이 적층되어 구성되고, 상기 부도체 물질과 상기 하부 전극이 접촉될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, -0.01 V 내지 -0.1 V 범위의 설정 전압 및 +0.05 V 및 +0.30 V 범위의 재설정 전압을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 내부에 수용공간을 갖는 절연 구조체; 상기 절연 구조체의 상기 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질; 상기 절연 구조체의 제1 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제1 전극; 및 상기 절연 구조체의 제2 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제2 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 절연 구조체는 튜브 구조체를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 튜브 구조체의 제1 단부에서 상기 액상 저항변화 물질과 접촉되고, 상기 제2 전극은 상기 튜브 구조체의 제2 단부에서 상기 액상 저항변화 물질과 접촉될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화 물질은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 내부에 관통형 수용공간을 가지고, 유연성을 가지는 플렉시블 튜브 구조체; 상기 플렉시블 튜브 구조체의 상기 관통형 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질; 상기 플렉시블 튜브 구조체의 제1 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제1 전극; 및 상기 플렉시블 튜브 구조체의 제2 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제2 전극;을 포함할 수 있다.
인체의 뇌는 가장 효율적인 계산 시스템으로 고려되고 있고, 광범위하게 뉴런들 및 뉴런들 사이에 배치된 연접부들로 구성된다. 연접부전부 뉴런들로부터 연접부후부 뉴런들로 신경전달물질들이 이동하여 신호를 전달한다. 이러한 인체 신경 시스템의 기능을 모방하도록 고상 물질들을 이용한 연구들이 활동적으로 수행되었으나, 고상 물질들을 이용한 인체의 연접부 거동들의 기능을 정확하게 모방하는 것은 한계가 있다. 그 이유는 인공 연접부들의 상태인 고상 환경에서의 신경전달물질들의 이동은 인체의 실제 연접부들의 상태인 액상 환경에서의 신경전달물질들의 이동과는 매우 다른 메커니즘을 가지기 때문이다. 여기에서, 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 등과 같은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 기반으로 하여 기능을 수행하도록 설계된 이단자 구조를 가지는 액상 저항변화 메모리 소자(LRSM)를 이용하여, 매우 낮은 작동 전압을 가지며, 생물학적 시스템들에서의 뉴런들의 특성들과 유사한, 장기 강화작용(LTP), 장기 위축작용(LTD), 쌍펄스 촉진(PPF), 및 흥분 연접부후부 전류(EPSC)를 포함하는 연접부 특성들을 나타내었다. 따라서, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 낮은 전력 소비 특성을 가질 수 있으며 높은 전력 효율로 작동할 수 있고, 인체의 작동 전압 수준의 매우 낮은 전압 수준에서 작동이 가능하며 뉴로모픽 특성들을 제공할 수 있다.
또한 주요 구성요소가 액상이므로, 다용도의 형태로 사용될 수 있고, 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 액상-기반 소자, 예를 들어 액상 게이트 물질을 포함한 전계효과 트랜지스터(FET) 메모리는, 연접부 모방 트랜지스터로 사용될 수 있다. 이온화된 액상 또는 이온을 포함하는 액상 용액은 인가되는 전압 바이어스에 의존하여 채널 물질의 전도도를 변화시킬 수 있고, 이러한 변화는 연접부 모방 소자에 적절한 메모리 형태를 구현할 수 있다. 또한, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 인체의 작동 전압 수준에서 작동이 가능하므로, 낮은 전력 소비 및 높은 전력 효율로 작동할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자와 인체의 연접부 구조를 비교한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 작동 원리를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 질산은 용액의 농도에 따른 저항변화 거동을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 데이터 보존 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성 시험 전후의 질산은 용액의 상태를 나타내는 사진들이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자 작동에 의한 은(Ag)의 산화 환원 반응에 따른 결과를 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 은(Ag)을 배제하고 금으로 구성된 하부 전극을 사용한 경우의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 다른 작동 온도에 대한 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 도 12의 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 장기 강화작용 및 장기 위축작용 특성들을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 흥분성 연접후 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 촉진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 간격에 따른 쌍펄스 촉진 비율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자와 인체의 연접부 구조를 비교한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 작동 원리를 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 질산은 용액의 농도에 따른 저항변화 거동을 나타내는 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 데이터 보존 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성 시험 전후의 질산은 용액의 상태를 나타내는 사진들이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자 작동에 의한 은(Ag)의 산화 환원 반응에 따른 결과를 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 은(Ag)을 배제하고 금으로 구성된 하부 전극을 사용한 경우의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 다른 작동 온도에 대한 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 도 12의 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 장기 강화작용 및 장기 위축작용 특성들을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 흥분성 연접후 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 촉진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 간격에 따른 쌍펄스 촉진 비율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 저항변화 메모리 소자는, 인체의 뇌의 연접부(synapse)를 모방하여 낮은 전력 소비 및 높은 전력 효율로 작동할 수 있다. 이와 같이 연접부를 모방하기 위하여, 상기 저항변화 메모리 소자는 인가된 바이어스 전압에 의존하여, 저항이 변화되고 이에 따라 전류가 변화되는 현상을 사용한다.
고상에 비하여 액상은 높은 이온 이동도를 가지므로, 인체의 연접부를 모방한 인공 소자에 적용될 수 있다. 즉, 액상이 높은 이온 이동도를 가지므로, 이온들의 확산이 액상 내에서 잘 구현되고, 이러한 이온들의 확산에 의하여 연접부들의 이완 특성 모사가 가능하게 된다. 액상-기반의 인체의 연접부를 모방한 인공 소자들은, 예를 들어 쌍펄스 촉진(paired-pulse facilitation, PPF), 흥분성 연접후 전류(excitatory post-synaptic current, EPSC), 및 강화작용/위축작용(potentiation/depression) 등과 같은 뉴로모픽 특성들을 나타낸다. 또한, 액상-기반 소자들은 자유로운 형상을 가지는 액상으로 구성되었고, 단순한 소자 구조를 가지므로, 다양한 형상과 크기로서 제조될 수 있고, 다양한 응용을 제공할 수 있다. 또한, 생명체는 신경 체계에서 신호 및 정보 전달을 위하여 신경 세포 사이의 연접부에서 뇌수를 활용한 액상 기반의 이송 시스템을 사용할 수 있고, 이에 따라 액상-기반 소자들은 생물학적 신호 체계에 적용할 수 있을 가능성이 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 액상 저항변화 메모리 소자(liquid resistive-switching memory, LRSM)를 제안한다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 등과 같은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 기반한 액상을 포함하고, 상기 액상 내에서 상기 금속이온으로부터 형성된 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 등과 같은 금속으로 구성된 필라멘트가 형성되고 또한 파괴됨으로써, 메모리 기능을 수행할 수 있다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 금속 필라멘트의 형성을 기반으로 하기 때문에, 액상으로 이루어진 소자 구조임에도 불구하고, 높은 안정성과 신뢰성을 가지는 메모리 특성을 보인다. 또한, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 인체의 신경계에서 나타나는 활성 전위와 유사한 매우 낮은 작동 전압을 지니고, 연접부에서 나타나는 전기적 특성을 모사할 수 있어 뉴로모픽 소자로서 적용될 수 있다. 필라멘트를 기반한 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 액상을 활용하여 고상에 비해 효율적인 이온 영동(ion migration)을 제공할 수 있다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 상기 필라멘트가 형성되고 파괴되어 저항 변화를 발생시키는 저항 변화층으로서, 예를 들어 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 등의 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액층을 포함할 수 있다. 상기 금속이온함유 용액층 내에서 형성되는 금속 필라멘트는 저항을 변화시키고, 이러한 저항 변화는 생물학적 연접부들의 활동 전위와 유사한 수준의 매우 낮은 작동전압(VOP)에서 발생할 수 있으므로, 낮은 에너지 소모와 높은 효율을 제공할 것으로 예상된다. 또한, 금속 필라멘트의 형성을 제어하는 것으로 소자의 전도도를 외부 전압 인가에 따라 조절하여 연접부에서 나타나는 전기적 특성들을 모사할 수 있을 것으로 예상된다. 이와 같이 낮은 작동전압을 가지는 이유는 상기 금속이온함유 용액층이 상기 금속이온함유 용액층의 내부에 포함된 금속으로 구성되는 전도성 필라멘트의 형성을 조력하기 때문이다.
또한, 상기 액상 저항변화 메모리 소자에 대하여 주요한 연접부 특성들인, 장기 강화작용(long-term potentiation, LTP), 장기 위축작용(long-term depression, LTD), 쌍펄스 촉진(PPF), 및 흥분성 연접후 전류(EPSC)를 검토한다. 인체에서, 뉴런들은 외부 자극에 따라서 다른 반응들을 나타낸다. 예를 들어, 흥분성 연접후 전류 특성은 뉴런들이 약한 자극 후, 이완(relaxation)을 통해 원래 상태(resting state)로 복원되는 특성을 말하며 상기 뉴런에 연속적인 자극이 인가되면 뉴런의 반응이 커지고, 이후 이완되어 본래의 원상태로 복원되며, 이를 쌍펄스 촉진이라 한다. 반면 상기 뉴런에 특정 자극보다 강한 자극이 인가될 경우, 뉴런의 전기적 상태는 장기적으로 변화하게 되며 이를 장기 강화 특성이라 한다. 이러한 뉴런들의 전기적 반응은 생체내에서 정보의 전달 및 저장, 연산에 관여하는 핵심적인 특성이다. 이와 더불어, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 매우 다양한 형상으로 구현될 수 있고, 상온에서 작동가능하다. 또한, 마이크로/나노 유동 기술을 이용하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 3차원 적층배열로 설계될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 신뢰성있는 저항변화 메모리 및 인공 연접부들에 대한 액상의 응용은 인체의 뇌를 모방한 실제 연접부 소자들을 구현하는 가능성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자(100)를 나타내는 사진이다.
도 1을 참조하면, 액상 저항변화 메모리 소자(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 위치한 하부 전극(120), 하부 전극(120) 상에 위치하고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화층(130); 액상 저항변화층(130)에 접촉하는 상부 전극(140)을 포함한다. 하부 전극(120)은 배선(150)과 연결되고, 하부 전극(120)과 상부 전극(140)은 전원에 연결될 수 있다.
기판(110)은 상기 액상과 반응하지 않는 고체 물질과 상기 액상과 반응하지 않는 부도체 물질이 적층되어 구성될 수 있다. 상기 부도체 물질과 상기 하부 전극과 접촉할 수 있다. 기판(110)은, 예를 들어 실리콘을 포함할 수 있고, 예를 들어 실리콘(Si)과 실리콘 산화물(SiO2)이 적층되어 구성될 수 있다. 기판(110)의 상기 실리콘 산화물과 하부 전극(120)이 접촉될 수 있다. 하부 전극(120)은 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 은(Ag)을 포함할 수 있다.
액상 저항변화층(130)은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함할 수 있다. 상기 금속이온함유 용액은 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속이온함유 용액은 1 mM 내지 3 M 범위의 농도를 가질 수 있다.
예를 들어, 액상 저항변화층(130)은 은(Ag)을 포함하는 액상으로 구성될 수 있고, 예를 들어 질산은(AgNO3) 용액을 포함할 수 있다. 상기 질산은 용액은, 예를 들어 1 mM 내지 3 M 범위의 농도를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 물질들은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속이온함유 용액은 산화-환원 반응 유도가 가능한 금속을 포함할 수 있다. 또한, 액상 저항변화층(130)은 하부 전극(120) 및 상부 전극(140)과 접촉을 허용하는 절연성 수용체(미도시)에 의하여 수용되도록 구성될 수 있다.
하부 전극(120)에 바이어스를 인가함에 따라, 하부 전극(120)으로부터 이온 물질이 액상 저항변화층(130) 내로 제공되고, 상기 이온 물질이 상부 전극(140)에서 환원되어 중성 물질을 형성하고, 상기 중성 물질이 결합하여 상기 필라멘트를 형성할 수 있다.
예를 들어, 액상 저항변화층(130)이 질산은 용액을 포함하고, 하부 전극(120)이 은(Ag)을 포함하는 경우에, 하부 전극(120)에 양의 바이어스를 인가함에 따라, 하부 전극(120)으로부터 은 이온(Ag+)이 액상 저항변화층(130) 내로 제공되고, 상기 은 이온(Ag+)이 상부 전극(140)에서 환원되어 중성 물질로서 금속 은(Ag0)을 형성하고, 상기 금속 은(Ag0)이 결합하여 상기 필라멘트를 형성할 수 있다. 또한, 하부 전극(120)에 음의 바이어스를 인가함에 따라, 하부 전극(120)으로부터 액상 저항변화층(130) 내로 상기 은 이온(Ag+)의 제공이 중단되고, 이에 따라 상기 필라멘트가 파괴될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 액상 저항변화층(130)이 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 등과 같은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함하고, 하부 전극(120)이 상기 금속이온과 동일한 금속, 예를 들어 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 등과 같은 금속을 포함하는 경우에, 하부 전극(120)에 제1 바이어스를 인가함에 따라, 하부 전극(120)으로부터 금속이온(M+ 또는 M2+)이 액상 저항변화층(130) 내로 제공되고, 상기 금속이온(M+ 또는 M2+)이 상부 전극(140)에서 환원되어 중성 물질로서 금속(M0)을 형성하고, 상기 금속(M0)이 결합하여 상기 필라멘트를 형성할 수 있다. 또한, 하부 전극(120)에 상기 제1 바이어스와는 반대인 제2 바이어스를 인가함에 따라, 하부 전극(120)으로부터 액상 저항변화층(130) 내로 상기 금속이온(M+)의 제공이 중단되고, 이에 따라 상기 필라멘트가 파괴될 수 있다.
상기 액상 저항변화 메모리 소자는 -0.01 V 내지 -0.10 V 범위의 설정 전압을 가질 수 있고, +0.05 V 내지 +0.30 V 범위의 재설정 전압을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 전압 범위는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 금속이온함유 용액으로 구성된 액상 저항변화층(130)에 대하여 금속으로 구성된 하부 전극(120)과 비활성 금속으로 구성된 상부 전극(140)이 샌드위치 형상으로 구성되어 있는 금속-용액-금속 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 질산은 용액으로 구성된 액상 저항변화층(130)에 대하여 은(Ag)으로 구성된 하부 전극(120)과 비활성 금속으로 구성된 상부 전극(140)이 샌드위치 형상으로 구성되어 있는 금속-용액-금속 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 통상적인 저항변화 메모리 소자의 금속-절연체-금속 구조와 유사하다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 상기 질산은 용액의 양측에 전극들을 배치하여 용이하게 형성할 수 있고, 소자의 구조와 제조 공정과 구조는 매우 간단하다.
도 1에 도시된 액상 저항변화 메모리 소자(100)를 하기의 실험예와 같이 제조하였다. 하기의 실험예에서는 상기 금속이온함유 용액으로서 질산은 용액을 사용하였고, 하부 전극(120)을 은으로 구성하였고, 이에 따라 금속 필라멘트를 형성에 기여하는 금속이온은 은 이온(Ag+), 금속은 금속 은(Ag0)이 된다.
열산화에 의하여 약 100 nm 두께의 실리콘 산화물(SiO2)이 실리콘(Si) 상에 형성된 기판(110)을 준비하였다. 기판(110) 상에 하부 전극(120)을 열증착기를 이용하여 형성하였다. 하부 전극(120)은 100 nm 두께의 은(Ag)으로 구성되었다. 이어서, 질산은(AgNO3) 분말(>99.9% 순도)(Kojima Chemical Industry)을 탈이온수에 용해시켜 1 mM 내지 3 M 범위의 농도를 가지는 질산은 용액을 제조하였다. 상기 농도는 예시적이며, 예를 들어 0.1 M 내지 1 M 범위의 농도를 가질 수 있다.
하부 전극(120) 상에 상기 질산은 용액을 투입하여 액상 저항변화층(130)을 형성하였다. 상기 질산은 용액의 투입은 하부 전극(120) 상에 질산은 용액을 몇 방울 떨어뜨려 구현될 수 있다. 이어서, 금속으로 형성된 탐침 형상의 상부 전극(140)을 액상 저항변화층(130)에 삽입하여 접촉시켰다. 하부 전극(120)에는 탐침 형상의 배선(150)을 접촉시켰다. 상부 전극(140)과 배선(150)은 하부 전극(120) 또는 액상 저항변화층(130)과의 반응성이 낮은 비활성 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어 구리(Cu), 구리 합금, 스테인리스 합금, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금, 백금(Pt) 또는 금(Au) 등으로 형성될 수 있다. 상기 질산은 용액은 각각의 측정에서 70 μl 씩 사용되었다. 하부 전극(120) 상의 70 μl 부피의 상기 질산은 용액의 직경은 6.9 mm 이고, 높이는 2.7 mm 이었다. 하부 전극(120)과 상부 전극(140) 사이의 거리는 약 2 mm 이었다.
모든 전기적 특성들은 대기 하에서 측정되었다. 전류-전압 곡선, 지구성, 데이터 보존, 및 연접부 특성들은 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer)(KEITHLEY 4200-SCS)를 이용하여 측정되었다. 전기적 측정 동안에, 하부 전극(120)은 접지되고, 질산은 용액에 삽입된 상부 전극(140)에 전기 바이어스가 인가되었다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자와 인체의 연접부 구조를 비교한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 액상 저항변화 메모리 소자는 연접부전부(pre-synaptic) 뉴런들로부터 연접부후부(post-synaptic) 뉴런들로 신경전달물질들을 통하여 정보를 전달하는 인체의 연접부들과 유사한 형상을 가짐을 알 수 있다. 상기 은(Ag)으로 구성된 하부 전극(120)은 이온을 제공하는 소스로서 상기 연접부전부 뉴런에 대응될 수 있다. 상기 질산은 용액으로 구성된 액상 저항변화층(130)은 상기 연접부에 대응될 수 있다. 상기 비활성 금속으로 구성된 상부 전극(140)은 이온 수용체로서 상기 연접부후부 뉴런에 대응될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 작동 원리를 설명하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 산화-환원 반응에 따른 은(Ag) 필라멘트들의 형성과정으로 설명될 수 있다. 상기 산화-환원 반응에 의하여, 은(Ag)으로 구성된 하부 전극에서 은 이온(Ag+)을 방출하고, 비활성 금속으로 구성된 상부 전극에서 상기 은 이온(Ag+)이 금속 은(Ag0)으로 환원된다. 이러한 과정들이 반복되면, 상기 금속 은(Ag0)의 형성에 따라 질산은 용액 내에서 은(Ag)으로 구성된 필라멘트들이 형성된다. 상기 필라멘트가 상기 하부 전극과 상기 상부 전극을 연결하면, 상기 소자는 "온(on)" 상태가 된다. 반면, 은(Ag)으로 구성된 상기 하부 전극에서 전압 바이어스가 양(+)에서 음(-)으로 변환되면, 상기 하부 전극으로부터의 은 이온(Ag+)의 공급이 중단되고, 상기 필라멘트는 파괴되며, 상기 소자는 "오프(off)" 상태가 된다.
구체적으로, 도 3의 (a)를 참조하면, 초기 상태(initial state)에서는, 질산은 용액 내에 은 이온들(Ag+)과 질산 이온들(NO3 -) 들이 무작위로 분포되고 배열을 형성하지 않는다.
도 3의 (b)를 참조하면, 설정 과정(set process)에서는 은(Ag)으로 구성된 하부 전극이 양(+)으로 바이어스되면, 설정 과정이 시작된다. 상기 바이어스에 의하여 상기 하부 전극으로부터 은(Ag)이 산화되어 은 이온(Ag+)을 형성하고, 또한 상부 전극에 인접한 영역에서는 은 이온(Ag+)이 환원되어 금속 은(Ag0)을 형성한다. 이러한 금속 은(Ag0)이 형성됨에 따라 필라멘트가 형성되기 시작한다.
참고로, 은(Ag) 전도성 필라멘트의 형성에 관한 이전의 고상 저항변화 메모리 소자에 대한 연구에서는, 음(-) 전압 바이어스에 따라 이온들(Ag+)이 영동되고, 은 이온(Ag+)에서 금속 은(Ag0)으로 환원되어, 결과적으로 음으로 바이어스된 전극으로부터 필라멘트가 성장되며, 은(Ag) 전극은 산화에 의하여 금속 은(Ag0)이 은 이온(Ag+)으로 변환된다고 알려져 있다. 그러나, 상기 고상 저항변화 메모리 소자들과는 달리, 본 발명에 따른 액상 저항변화 메모리 소자는 용액 내에 이미 많은 수의 은 이온(Ag+)들을 포함하므로, 광범위한 은 이온(Ag+)의 필요로 하는 영동 거리가 비교적 짧고 영동에 필요로 하는 에너지가 상기 고상 저항변화 메모리 소자에 비하여 매우 낮다. 이러한 필라멘트 성장 메커니즘은 은이 도핑된 고분자를 사용한 저항변화 메모리 소자에 의하여 알려져 있으나, 이 경우에는 고상으로 구성된 고분자 내에서의 은 이온(Ag+)들과 금속 은(Ag0)들의 이동이 액상 내부에 존재하는 은 이온(Ag+) 및 금속 은(Ag0)들의 이동에 비하여 용이하지 않고, 또한 은 이온(Ag+)들과 금속 은(Ag0)들의 배열에 많은 에너지를 필요로 하기 때문에, 상기 액상 저항변화 메모리 소자 보다 상대적으로 고전압을 필요로 한다. 반면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 경우에는, 전기장 하에서 은 이온(Ag+)들과 금속 은(Ag0)들의 이동이 상대적으로 용이하고, 높은 에너지를 요구하지 않으므로 설정 전압(VSET)이 매우 낮은 장점이 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 금속 은(Ag0)들로 구성된 필라멘트가 형성되고 성장되어 상기 하부 전극에 연결된다. 이에 따라 온(on) 상태가 이루어진다. 상기 질산은 용액 내에서 상기 필라멘트를 형성하도록 요구되는 금속 은(Ag0)들의 양은 작동 시간, 싸이클 수, 전극 거리 및 질산은 농도 등과 같은 다양한 변수들에 의존할 수 있다.
도 3의 (d)를 참조하면, 상기 하부 전극을 음(-)으로 바이어스 하면, 상기 하부 전극으로부터 은 이온(Ag+)의 제공이 중지되고, 상기 필라멘트가 파괴되어 상기 하부 전극에서 분리된다. 즉, 재설정 과정(reset process)이 발생하고 오프(off) 상태가 이루어진다. 이러한 재설정 과정 중에서, 상기 질산은 용액 내의 질산 이온(NO3 -)은 상기 상부 전극의 팁에 도달할 수 있고, 은 이온(Ag+)은 상기 하부 전극으로 이동할 수 있다. 이에 따라 상기 필라멘트가 파괴될 수 있다. 또한, 상기 재설정 과정 중에서, 상기 금속 은(Ag0) 입자들의 일부는 상기 하부 전극에 되돌아가지 못하고, 상기 입자들은 용액 내에서 콜로이드 상태로 유지될 수 있다.
이와 같이, 상기 질산은 용액 내에서의 산화 환원 반응은 필라멘트 형성과 파괴 과정에 영향을 주며, 상기 질산은 용액 내에서 은(Ag)으로 구성된 필라멘트가 형성되고 파괴되므로, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 데이터 보존 특성을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 질산은 용액의 농도에 따른 저항변화 거동을 나타내는 그래프들이다.
도 4를 참조하면, 액상 저항변화 메모리 소자의 바이어스 전압의 인가에 따라 나타나는 저항변화 거동은 질산은 용액에 농도에 따라 변화됨을 알 수 있다. 설정 과정이 이루어지는 설정 전압은 -0.04 V 내지 -0.08 V 범위이며, 이는 기존의 은(Ag) 필라멘트 기반 저항변화 메모리 소자의 설정 전압에 비하여 매우 낮은 상태이다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 은 이온(Ag+)의 영동을 구동하기 위하여 큰 에너지를 요구하지 않음을 알 수 있고, 그 이유는 상기 질산은 용액이 액상으로 구성되므로 이온들이나 입자들의 이동을 용이하고 전도성 필라멘트들의 형성이 용이하기 때문이다. 그러나, 작동전압(VOP)이 낮으면, 회로의 열 발생을 감소시킬 수 있으므로, 낮은 전력소비만으로 소자를 사용가능하고, 더 나아가 상기 액상 저항변화 소자의 작동전압과 뉴런의 활동 전위가 유사하므로 생물학적 응용 분야에도 사용가능하다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자의 설정 전압(VSET)은 -0.04 V이고, 재설정 전압(VRESET)은 0.1 V이므로, 이는 뉴런의 활동전위인 -0.08 V 및 0.07 V에 거의 유사하다. 이러한 유사성에 기반하여, 인체 연접부들을 직접적으로 연결하는 응용처에 상기 액상 저항변화 메모리 소자를 적용할 가능성이 있다. 또한, 상기 소자는 자가-제한(self-compliance) 전류 특성들을 가지고, 셋 제한 전류에 추가적인 회로를 요구하지 않는 장점을 가진다.
상기 소자들의 작동 전류는 상기 질산은 용액의 농도를 이용하여 조절할 수 있다. 상기 질산은 용액의 농도가 증가됨에 따라, 온(on) 전류 및 오프(off) 전류들이 증가된다. 상기 질산은 용액의 농도가 상대적으로 낮은 0.05 M인 경우에는 상대적으로 점진적인 설정 과정 진행과 낮은 작동 전류를 나타내고, 상기 질산은 용액의 농도가 상대적으로 높은 0.5 M인 경우에는 상대적으로 급격한 설정 과정 진행과 높은 작동 전류를 나타낸다. 또한, 낮은 질산은 용액의 농도에서, 즉, 0.05 M에서, 필라멘트가 얇게 형성된다. 또한, 높은 질산은 용액의 농도에서, 즉, 0.5 M에서, 더 낮은 재설정 전압(VRESET)을 가진다. 높은 질산은 용액의 농도에서, 즉, 0.5 M에서, 온(on) 전류가 크므로, 충분한 전력이 상기 필라멘트에 인가될 수 있고, 낮은 전압에서도 상기 필라멘트가 파괴될 수 있다. 상기 질산은 용액 농도가 0.1 M인 경우에는, 중간의 전기적 특성들을 나타낸다. 상기 질산은 용액 농도가 0.1 M에서, 온/오프 전류 비율 및 메모리 윈도우는 가장 크게 나타나고, 이러한 농도 조건들에 따라서 다른 특성들이 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 상부 전극의 팁에서 하부 전극 사이의 거리에 따른 온(on) 전류 및 저항이 나타나 있다. 상기 거리가 증가하면, 저항이 증가되고 이에 따라 온(on) 전류가 감소된다. 즉, 상기 온(on) 전류는 필라멘트의 두께에 비례하고, 상부 전극에서 하부 전극 사이의 거리에 반비례한다.
도 5의 (b)를 참조하면, 질산은 용액의 농도에 따른 온(on) 전류가 나타나 있다. 저전력 메모리 소자를 구현하기 위하여, 전류의 감소는 중요하다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자에서, 상기 질산은 용액 농도를 변화시켜 상기 온(on) 전류의 변화를 측정할 수 있다. 상기 질산은 용액 농도가 1 M 에서 0.01 M 로 감소되면, 상기 온(on) 전류는 10-3 A 에서 10-5 A로 감소된다. 이러한 결과로부터, 상기 질산은 용액 농도를 제어하여 작동 전류를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 데이터 보존 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 데이터 보존(data retention) 특성은 0.1 M 질산은 용액을 사용하였으며, -0.02 V의 읽기 바이어스에서 평가하였다. 액상 내부에서의 확산과 대류로 인해 필라멘트들은 액상 내에서 유지되기 어려움에도 불구하고, 소자는 보존 특성을 나타낼 수 있다. 온(on) 상태와 오프(off) 상태가 적어도 1000초 동안 유지됨을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 지구성(endurance) 특성은 0.1 M 질산은 용액을 사용하였으며, -0.02 V의 읽기 바이어스에서 평가하였다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, -0.15 V내지 0.3 V까지의 전압 변화구간에서 100회 싸이클 동안 성공적으로 작동하였다. 상기 지구성 특성들은 작동 동안에 은 이온(Ag+)들 및 금속 은(Ag0)들의 형성에 의하여 영향을 받는다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 지구성 특성 시험 전후의 질산은 용액의 상태를 나타내는 사진들이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 지구성 시험을 수행하기 전에, 질산은 용액은 깨끗한 상태를 가졌다. 반면, 도 8의 (b)를 참조하면, 지구성 실험을 수행한 후에는 질산은 용액이 탁해진다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자가 작동되는 동안에, 은(Ag) 전극에서 일부의 은(Ag)이 산화되어 은 이온(Ag+)이 되고, 평형 상태에서는 동일한 양의 은 이온(Ag+)이 금속 은(Ag0)으로 환원된다. 상기 필라멘트가 파괴되면 상기 금속 은(Ag0)들은 용액 내에서 매달리게 되고, 상기 필라멘트들의 추가 형성은 상기 금속 은(Ag0)들에 의하여 방해되는 것으로 분석된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자 작동에 의한 은(Ag)의 산화 환원 반응에 따른 결과를 나타내는 사진이다.
도 9를 참조하면, 은(Ag)의 산화 환원 반응을 검증하기 위하여, Ag/Au/SiO2/Si 기판 상에서 상기 액상 저항변화 메모리 소자를 작동하였다. 장기간 작동을 종료한 후에, Ag/Au/SiO2/Si 기판에서 하부 전극을 구성하는 은(Ag)은 소비되었다. 이러한 은(Ag)이 소비된 영역은 용액이 접촉된 원형 영역으로 구분되며, 상기 원형 영역에서 노출된 금(Au)이 또한 관찰되었다. 따라서, 상기 액상 저항변화 메모리 소자가 작동하면, 기판 상에 배치된 은으로 구성된 하부 전극이 소비됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 은(Ag)을 배제하고 금으로 구성된 하부 전극을 사용한 경우의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 은(Ag)을 배제하고 금으로 하부 전극을 구성한 경우에는 저항 변화 특성이 관찰되지 않는다. 따라서, 하부 전극이 은으로 구성되지 않는 경우에는 상기 질산은 용액 내에 필라멘트의 형성 및 파괴가 발생하지 않을 것으로 분석된다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자에서 다른 작동 온도에 대한 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 25℃ 내지 50℃ 범위의 온도에서 안정적인 저항 변화 특성들을 나타냄을 알 수 있다.
상기 액상 저항변화 메모리 소자는 주요 구성요소로서 액상을 사용하여 유연성을 가질 수 있고, 따라서, 굽힘 구조를 포함한 다양한 구조로 적용될 수 있다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 다양한 치수로서 형성될 수 있고, 적절한 밀봉에 의하여 제조될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자(200)를 나타내는 개략도이다.
도 12를 참조하면, 액상 저항변화 메모리 소자(200)는, 내부에 수용공간을 갖는 절연 구조체(210); 절연 구조체(210)의 상기 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질(230); 상기 절연 구조체(210)의 제1 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질(230)과 접촉하는 제1 전극(220); 및 상기 절연 구조체의 제2 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제2 전극(240);을 포함한다.
절연 구조체(210)는 튜브 구조체를 포함하고, 제1 전극(220)은 상기 튜브 구조체의 제1 단부에서 액상 저항변화 물질(230)과 접촉되고, 제2 전극(240)은 상기 튜브 구조체의 제2 단부에서 액상 저항변화 물질(230)과 접촉될 수 있다. 제1 전극(220)은 상술한 하부 전극(120)과 동일한 기능을 수행할 수 있다. 제2 전극(240)은 상술한 상부 전극(140)과 동일한 기능을 수행할 수 있고 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 액상 저항변화 물질(230)은 금속이온을 함유하는 상기 금속이온함유 용액을 포함할 수 있고, 예를 들어 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 액상 저항변화 물질(230)은 질산은 용액을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 다른 하나는 금(Au)을 포함할 수 있다
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자는, 내부에 관통형 수용공간을 가지고, 유연성을 가지는 플렉시블 튜브 구조체; 상기 플렉시블 튜브 구조체의 상기 관통형 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질(230); 상기 플렉시블 튜브 구조체의 제1 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질(230)과 접촉하는 제1 전극(220); 및 상기 플렉시블 튜브 구조체의 제2 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질(230)과 접촉하는 제2 전극(240);을 포함한다. 여기에서, 상기 플렉시블 튜브 구조체는 절연 구조체(210)의 일 예일 수 있다. 선택적으로 제1 전극(220)과 제2 전극(240)은 상기 관통형 수용공간을 양 단부에서 밀봉할 수 있다.
상술한 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자는 하기와 같은 방법으로 형성하였다. 상기 플렉시블 튜브형 소자의 몸체는 PVC 튜브를 사용하였다. 상기 PVC 튜브는 내경 3 mm 와 외경 5 mm를 가지고, Samchun Chemical Co. Ltd.에서 구입하였다. 상기 PVC 튜브의 일단부를 글루건을 사용하여 폐쇄하였다. 주사기를 사용하여 상기 PVC 튜브 내에 1 M 농도의 질산은 용액을 투입하였다. 상기 PVC 튜브의 전극으로, 직경 0.5 mm와 길이 30 mm의 금(Au) 팁을 사용하였다. 상기 금(Au) 팁은 MS Tech (M5SG)에서 구입하였다. 이어서, 금 팁의 표면에 100 nm 두께의 은(Ag)을 증착하여 열증착기를 이용하여 상기 PVC 튜브의 전극을 형성하였다. 상기 PVC 튜브는 양단부에서 두 개의 전극에 의하여 밀봉된다. 이러한 형상은 예시적이며, 미세 유동 소자 구조의 적용이 가까운 미래에 소자들의 집적을 가능하게 할 수 있다. 상기 소자의 길이, 두께, 및 유연성은 제어 가능함을 이해할 수 있다. 하기의 사진들은 굽힘 전과 굽힘 후의 플렉시블 튜브형 소자를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 도 12의 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 상기 플렉시블형 액상 저항변화 메모리 소자는 굽힘 상태에서도 저항 변화를 나타내므로, 굽힘 상태는 소자 작동에 영향을 거의 끼치지 않음을 알 수 있다. 종래의 고상 내에 형성된 필라멘트를 가지는 저항 변화 메모리 소자는 전극의 형상에 강하게 의존한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 액상 저항변화 메모리 소자의 경우에는, 액상 내에 형성된 필라멘트들이 다양한 구조와 치수로 형성될 수 있고, 더 나아가 구부러진 구조를 가질 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 플렉시블 구조로 작동될 수 있고, 그 이유는 저항변화 매질이 액상이기 때문이다. 이러한 특성들은 미래의 플렉시블 인공 연접부 소자들을 위한 가능성을 제공할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 장기 강화작용 및 장기 위축작용 특성들을 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 0.1 M 질산은 용액을 액상 저항변화층으로 이용한 경우의 장기 강화작용 및 장기 위축작용 특성들이 나타나있다. 장기 강화작용(LTP)을 위하여 0.1 초의 폭을 가지는 -60 mV 바이어스를 인가하면, 인가하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자의 전기전도도가 점진적으로 증가하였다. 장기 위축작용(LTD)을 위하여 0.1 초의 폭을 가지는 90 mV 바이어스를 인가하면, 상기 액상 저항변화 메모리 소자의 전기전도도가 점진적으로 감소하였다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 장기 강화작용(LTP)과 장기 위축작용(LTD)을 포함하는 연접부 거동들을 나타내었다. 자극 펄스들이 인가되면, 전기 전도도의 점진적인 증가와 감소에 따른 연접부 강도의 생물학적 강화작용 및 위축작용을 모방할 수 있다. 이러한 특성들은 연접부들의 주요 특성이며, 연접부 기능의 기본이다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자의 연접부 특성들은 -60 mV 및 90 mV에서 나타났고, 이러한 범위는 인체의 신경 세포의 활동전위와 유사한 수치가 된다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 흥분성 연접후 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 0.1 M 질산은 용액을 액상 저항변화층으로 이용한 경우의 흥분성 연접후 전류 특성이 나타나 있다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 0.1 초의 폭을 가지는 -60 mV 단일 펄스를 인가한 후에, 흥분성 연접후 전류(EPSC)를 피크로서 나타내었고, 이후 전류는 점진적으로 감소하였다. 이러한 경우에는 필라멘트가 형성되지 않고, 점진적인 전류 감소에 따른 이온 확산 전류가 측정된다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 촉진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 0.1 M 질산은 용액을 액상 저항변화층으로 이용한 경우의 쌍펄스 촉진 특성이 나타나 있다. 0.1 초의 폭을 가지는 -60 mV 이중 펄스를 인가하면, 쌍펄스 촉진(PPF) 특성을 확인할 수 있다 (도 4c). 첫번째 펄스에 의한 전류 변화(ΔI1)와 두번째 펄스에 의한 전류 변화(ΔI2)가 도시되어 있다. 두 개의 -60 mV 펄스들은 0.1 초 간격을 두고 인가하면, 상기 소자의 전류는 두번째 펄스를 인가한 후에 더 커진다. 그 이유는 첫번째 펄스에 대한 이온 확산이 종료되기 전에 두번째 펄스가 인가되었기 때문이다. 이러한 결과는 인체의 뉴런 반응과 유사하며, 상기 인체의 뉴런은 두 개의 자극을 빠르게 수용하는 경우에, 첫번째 펄스의 경우에 비하여 두번째 펄스에서 반응이 더 커진다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 액상 저항변화 메모리 소자의 쌍펄스 간격에 따른 쌍펄스 촉진 비율을 나타내는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 0.1 M 질산은 용액을 액상 저항변화층으로 이용한 경우의 쌍펄스 촉진 비율을 나타낸다. 두 개의 인가된 전압 펄스들 사이의 시간 간격 (0.05 초 내지 0.45 초)에 의존하는 쌍펄스 촉진(PPF) 특성을 측정하였다. 펄스 사이의 시간 간격이 증가됨에 따라 쌍펄스 촉진 비율이 감소되었다.
이러한 결과로부터, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는, 실제 뉴런 세포의 활동 전위와 유사한 작동 전압을 가지는 플렉시블 연접부 소자로 형성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 등과 같은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액에 기반하여 설계된 연접부 특성들을 가지는 액상-기반 저항변화 메모리를 제안한다. 상기 금속이온함유 용액 내에서 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 등과 같은 금속으로 구성된 금속 필라멘트들의 형성을 통하여, 액상으로 구성된 상기 금속이온함유 용액 내의 저항의 변화를 포함한 메커니즘을 설명하였다. 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 매우 낮은 작동전압에서 작동할 수 있다. 또한, 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 장기 강화작용(LTP), 장기 위축작용(LTD), 쌍펄스 촉진(PPF), 및 흥분성 연접후 전류(EPSC)를 포함하는 뉴로모픽 특성들을 가진다. 이러한 상기 액상 저항변화 메모리 소자는 낮은 작동전압들에서 기능하는 연접부 특성들을 가지므로, 높은 에너지 효율의 뇌 모방 인공 소자들을 개발할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 액상 저항변화 메모리 소자, 110: 기판,
120: 하부 전극, 130: 액상 저항변화층,
140: 상부 전극, 150: 배선,
200: 액상 저항변화 메모리 소자, 210: 절연 구조체,
220: 제1 전극, 230: 액상 저항변화 물질,
240: 제2 전극,
120: 하부 전극, 130: 액상 저항변화층,
140: 상부 전극, 150: 배선,
200: 액상 저항변화 메모리 소자, 210: 절연 구조체,
220: 제1 전극, 230: 액상 저항변화 물질,
240: 제2 전극,
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 위치한 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 위치하고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화층; 및
상기 액상 저항변화층 상에 접촉하는 상부 전극;
을 포함하고,
상기 필라멘트는 상기 하부 전극에 바이어스를 인가함에 따라, 상기 액상 저항변화층 내에서 상기 하부 전극과 상기 상부 전극을 연결하도록 형성되는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부 전극에 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 이온 물질이 상기 액상 저항변화층 내로 제공되고, 상기 이온 물질이 상기 상부 전극에서 환원되어 중성 물질을 형성하고, 상기 중성 물질이 상기 필라멘트를 형성하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액상 저항변화층은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 금속이온함유 용액은 구리 이온, 은 이온, 철 이온, 금 이온, 티타늄 이온, 및 아연 이온 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 금속이온함유 용액은 1 mM 내지 3 M 범위의 농도를 가지는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 하부 전극은 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 3 항에 있어서,
상기 하부 전극은 구리, 은, 철, 금, 티타늄, 및 아연 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액상 저항변화층은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함하고,
상기 하부 전극은 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함하고,
상기 하부 전극에 제1 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 상기 금속이온이 상기 액상 저항변화층 내로 제공되고, 상기 금속이온이 상기 상부 전극에서 환원되어 금속을 형성하고, 상기 금속이 결합하여 상기 필라멘트를 형성하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 하부 전극에 상기 제1 바이어스와는 반대인 제2 바이어스를 인가함에 따라, 상기 하부 전극으로부터 상기 액상 저항변화층 내로 상기 금속이온의 제공이 중단되고, 이에 따라 상기 필라멘트가 파괴되는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 상기 액상과 반응하지 않는 고체 물질과 상기 액상과 반응하지 않는 부도체 물질이 적층되어 구성되고, 상기 부도체 물질과 상기 하부 전극이 접촉되는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 액상 저항변화 메모리 소자는, -0.01 V 내지 -0.1 V 범위의 설정 전압 및 +0.05 V 및 +0.30 V 범위의 재설정 전압을 가지는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 내부에 수용공간을 갖는 절연 구조체;
상기 절연 구조체의 상기 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질;
상기 절연 구조체의 제1 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제1 전극; 및
상기 절연 구조체의 제2 측부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제2 전극;을 포함하고,
상기 필라멘트는 상기 제1 전극에 바이어스를 인가함에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하도록 형성되는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 절연 구조체는 튜브 구조체를 포함하고,
상기 제1 전극은 상기 튜브 구조체의 제1 단부에서 상기 액상 저항변화 물질과 접촉되고,
상기 제2 전극은 상기 튜브 구조체의 제2 단부에서 상기 액상 저항변화 물질과 접촉된, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 액상 저항변화 물질은 금속이온을 함유하는 금속이온함유 용액을 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 제 14 항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 금속이온함유 용액에 포함된 상기 금속이온과 동일한 금속을 포함하는, 액상 저항변화 메모리 소자. - 내부에 관통형 수용공간을 가지고, 유연성을 가지는 플렉시블 튜브 구조체;
상기 플렉시블 튜브 구조체의 상기 관통형 수용공간 내에 충진되고, 액상으로 구성되고, 내부에 필라멘트가 형성되거나 파괴되어 저항이 변화되는 액상 저항변화 물질;
상기 플렉시블 튜브 구조체의 제1 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제1 전극; 및
상기 플렉시블 튜브 구조체의 제2 단부에서 삽입되어 상기 액상 저항변화 물질과 접촉하는 제2 전극;을 포함하고,
상기 필라멘트는 상기 제1 전극에 바이어스를 인가함에 따라 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하도록 형성되는, 액상 저항변화 메모리 소자.
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