KR20210084398A - Memristor devices and preparation method there of - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 멤리스터(Memristor) 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a memristor device and a method for manufacturing the same.
컴퓨터과학의 출연과 함께 뇌 정보처리를 컴퓨터과학과 연결하려는 시도는 뉴로컴퓨팅(neuro-computing)분야의 발전과 더불어 집적회로 기술을 기반으로 하드웨어적으로 뇌의 신경 정보처리와 감각-운동 신경계를 구현하려는 뉴로모픽(neuromorphic) 분야가 1990년 태동되었다. CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 기반으로 뇌를 모방하는 것은 집적도의 한계에 부딪히게 되었는데, 그 가운데 하나는 학습의 기본요소인 시냅스의 모방에 있다. 2008년 기억과 스위칭을 동시에 수행할 수 있는 레지스터 구조의 소자가 해석된 이후 뉴로모픽 분야는 제2의 성장기를 맞이하게 되었다. 시냅스 모방소자는 기존 기억소자를 대신할 수 있을 뿐 아니라, CMOS 트랜지스터와의 하이브리드 또는 그 자체의 조합만으로도 뇌 세포의 기능을 모방할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.With the advent of computer science, attempts to connect brain information processing with computer science are based on the development of neuro-computing and hardware-based neural information processing and sensory-motor nervous system based on integrated circuit technology. The field of neuromorphic was born in 1990. Imitating the brain based on CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) has encountered the limit of integration, one of which is imitation of the synapse, a basic element of learning. In 2008, the neuromorphic field entered a second growth period after the analysis of a resistor-structured device capable of performing memory and switching at the same time. Synaptic mimics can not only replace conventional memory devices, but also have the potential to mimic the functions of brain cells only by hybrids with CMOS transistors or by combining them with CMOS transistors.
멤리스터(Memristor)는 메모리(memory)와 레지스터(resistor)의 합성어로, 전기저항이 일정하지 않고 소자를 통과하는 전류 또는 전하량의 시간에 대한 적분값, 즉 통과한 전류의 역사에 좌우되는 특성을 가지는 수동 2-단자 전기소자를 나타내며, 기억과 스위칭 기능을 가지고 있어 시냅스와 이온 채널의 모방에 적합하여 뉴런세포를 모방하는 것이 가능한 장점을 가지고 있다. Memristor is a compound word of memory and resistor. The electrical resistance is not constant and the current or electric charge passing through the device is an integral value with respect to time, that is, a characteristic that depends on the history of the current passing through it. Eggplant represents a passive two-terminal electrical device and has memory and switching functions, so it is suitable for mimicking synapses and ion channels and has the advantage of mimicking neuronal cells.
이에 따라, 멤리스터(Memristor)를 테라비트(terabit) 메모리, 신경망 회로 구성에 의한 결함 인정 소자 등 새로운 논리회로 구성을 가능하게 하는 소자로서 나노 기술을 기반으로 하는 차세대 메모리 관련 분야에서 연구가 이루어 지고 있다. Accordingly, the memristor is a device that enables the construction of new logic circuits such as terabit memory and defect recognition device by neural network circuit configuration. Research is being conducted in the field of next-generation memory based on nanotechnology. have.
이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 등록특허 제10-1537433호에는 고분자 절연체를 포함하는 절연층과 금속을 포함하는 상부전극과의 사이에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 저장 변화 메모리 소자를 형성하고, 금속산화물 반도체를 포함하는 저항 변화 반도체층의 일부 영역에 금속층을 배치함으로써 다이오드를 형성하여, 저항 변화 메모리와 다이오드가 통합된 멤리스터 소자 및 이의 제조방법을 개시한 바 있다. As a related art, in Korean Patent Registration No. 10-1537433, a storage change memory device is formed through a spontaneous oxidation reaction that occurs between an insulating layer containing a polymer insulator and an upper electrode containing a metal, and a metal A memristor device in which a resistance change memory and a diode are integrated by forming a diode by disposing a metal layer in a partial region of a resistance change semiconductor layer including an oxide semiconductor, and a method for manufacturing the same have been disclosed.
본 발명의 목적은 The object of the present invention is
멤리스터 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.To provide a memristor device and a method for manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위해, In order to achieve the above purpose,
본 발명의 일 실시예는One embodiment of the present invention is
기판;Board;
상기 기판상에 배치된 제 1 금속산화물 박막층; a first metal oxide thin film layer disposed on the substrate;
상기 제1 금속산화물 박막층상에 배치된 제 2 금속산화물 나노입자층; 및a second metal oxide nanoparticle layer disposed on the first metal oxide thin film layer; and
상기 제 2 금속산화물 나노입자층 상에 배치된 전극;을 포함하는,Including; an electrode disposed on the second metal oxide nanoparticle layer;
멤리스터(Memristor) 소자를 제공한다.A memristor device is provided.
또한, 본 발명의 다른 실시예는In addition, another embodiment of the present invention is
기판상에 비정질 제 1 금속산화물 박막층을 형성하는 단계;forming an amorphous first metal oxide thin film layer on a substrate;
상기 제 1 금속산화물 박막층이 형성된 기판을 열처리하는 단계;heat-treating the substrate on which the first metal oxide thin film layer is formed;
상기 제 1 금속산화물 박막층상에 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자층을 형성하는 단계; 및forming a crystalline second metal oxide nanoparticle layer on the first metal oxide thin film layer; and
마스크를 이용하여 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 Forming an electrode on the second metal oxide nanoparticle layer using a mask; including
멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법을 제공한다.A method of manufacturing a memristor device is provided.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자는 우수한 RERAM(Resistance Random Access Memory)특성을 가질 수 있다. 또한, 2 내지 5V의 낮은 전압에서 구동할 수 있고, 우수한 온/오프 스위칭 특성, 전도성 및 저장용량을 나타낼 수 있다.A memristor device according to an embodiment of the present invention may have excellent resistance random access memory (RERAM) characteristics. In addition, it can be driven at a low voltage of 2 to 5V, and can exhibit excellent on/off switching characteristics, conductivity and storage capacity.
또한, 본 발명은 우수한 성능을 나타내는 멤리스터 소자를 경사증착법을 이용하여 보다 용이한 공정으로 제조할 수 있다.In addition, according to the present invention, a memristor device exhibiting excellent performance can be manufactured by an easier process using the gradient deposition method.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자를 나타낸 모식도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법을 나타낸 모식도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경사증착장치를 나타낸 모식도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자의 형태를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이고,
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자를 원소분석한 에너지분산 X선 분석(EDXA) 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자에 대해 광발광(Photoluminescence, PL)분석한 결과 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자에 대해 라만(Raman)분석한 결과 그래프이고,
도 9 및 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자에 대해 X-선 회절(XRD)분석한 결과 그래프이고,
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤 멤리스터 소자(Memristor device)의 전류-전압(Current-Voltage, I-V) 특성을 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자의 백색광 조사에 따른 전류 변화를 나타낸 그래프이고,
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터(Memristor) 소자에 대해 LCR meter를 이용하여 전압에 따른 캐패시턴스(C-V)를 측정한 그래프이다.1 is a schematic diagram showing a memristor device according to an embodiment of the present invention;
2 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention;
3 is a schematic diagram showing a gradient deposition apparatus according to an embodiment of the present invention;
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph observing the shape of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
5 and 6 are energy dispersive X-ray analysis (EDXA) graphs obtained by elemental analysis of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing the result of photoluminescence (PL) analysis of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph showing the results of Raman analysis of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
9 and 10 are graphs of the results of X-ray diffraction (XRD) analysis of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
11 is a graph showing the current-voltage (Current-Voltage, IV) characteristics of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
12 is a graph showing a change in current according to white light irradiation of a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention;
13 is a graph of measuring capacitance (CV) according to voltage using an LCR meter for a memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions. In addition, "including" a certain element throughout the specification means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 제 1 금속산화물 박막층(120) 및 제 2 금속산화물 나노입자층(130)의 계면에 포함된 산소 공공(oxygen vacancies)을 포함할 수 있으며, 이를 통해 소자의 고저항상태(HRS) 및 저저항상태(LRS)를 스위칭할 수 있어, 정보의 기록(Writing) 및 지움(erasing)기능을 수행할 수 있다.The
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자(100)를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는The
기판(110);
상기 기판(110)상에 배치된 제 1 금속산화물 박막층(120); a first metal oxide
상기 제1 금속산화물 박막층(120)상에 배치된 제 2 금속산화물 나노입자층(130); 및a second metal
상기 제 2 금속산화물 나노입자층(130) 상에 배치된 전극(140);을 포함할 수 있다. and an
본 발명의 상기 기판(110)은 일 예로, Si 기판일 수 있으며, 기판 상에 SiO2가 형성된 SiO2/Si 기판일 수 있다. The
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 기판(110) 하부에 배치된 하부 전극을 더 포함할 수 있다. The
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 기판상에 배치된 제 1 금속산화물 박막층(110)을 포함할 수 있다. The
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다.When a layer is referred to herein as being “on” another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween.
상기 제 1 금속산화물은 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, Al2O3 및 HfO2 중 적어도 하나일 수 있고, 또는 전위금속 산화물일 수 있고, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)일 수 있다.The first metal oxide may be at least one of MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 and HfO 2 , or a potential metal oxide, preferably titanium dioxide ( TiO 2 ) may be.
또한, 상기 제 1 금속산화물은 비정질인 것이 바람직할 수 있다. 이는 상기 기판 및 전극사이의 절연성을 형성하기 위한 것으로, 만약, 상기 제 1 금속 산화물이 결정질인 경우, 소자의 온오프 특성이 나타나지 않을 수 있다.In addition, it may be preferable that the first metal oxide is amorphous. This is to form insulation between the substrate and the electrode, and if the first metal oxide is crystalline, the on-off characteristic of the device may not appear.
상기 제 1 금속산화물 박막층(110)의 두께는 10 내지 80 nm일 수 있으며, 20 내지 60 nm인 것이 바람직할 수 있고, 30 내지 50nm인 것이 더욱 바람직할 수 있다. The thickness of the first metal oxide
만약, 상기 제 1 금속산화물 박막층(110)의 두께가 10 nm 미만인 경우, 상기 제 1 금속산화물 박막층에 의해 전기적 절연이 형성되지 않는 문제가 발생될 수 있고, 상기 상기 제 1 금속산화물 박막층(110)의 두께가 80 nm를 초과하는 경우, 제조되는 소자의 두께가 두꺼워지는 문제가 발생될 수 있다.If the thickness of the first metal oxide
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 제1 금속산화물 박막층(120)상에 배치된 제 2 금속산화물 나노입자층(130)을 포함할 수 있다.The memristor 100 according to an embodiment of the present invention may include a second metal
상기 제 2 금속산화물은 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, Al2O3 및 HfO2 중 적어도 하나일 수 있고, 또는 전이금속 산화물일 수 있고, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)일 수 있다.The second metal oxide may be at least one of MgO, ZnO, TiO 2 , NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 and HfO 2 , or a transition metal oxide, preferably titanium dioxide. (TiO 2 ) may be.
또한, 상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 제 2 금속산화물 나노입자를 포함하는 층으로, 바람직하게는 전기 전도성이 우수한, 결정질의 제 2 금속 산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 브루카이트상의 이산화티탄(TiO2) 나노입자를 포함할 수 있다. In addition, the second metal oxide nanoparticle layer is a layer including the second metal oxide nanoparticles, and preferably, may include crystalline second metal oxide nanoparticles having excellent electrical conductivity. For example, the second metal oxide nanoparticle layer may include brookite-phase titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 절연성을 나타내는 상기 제 1 금속산화물 박막층 상에 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자를 포함하는 나노입자층을 포함함으로써, 산소 이온 또는 산소 공공의 이동도가 보다 빠를 수 있고, 이로 인해 빠른 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.The memristor 100 according to an embodiment of the present invention includes a nanoparticle layer including crystalline second metal oxide nanoparticles on the first metal oxide thin film layer exhibiting insulation, so that the mobility of oxygen ions or oxygen vacancies is reduced. It may be faster, thereby exhibiting fast switching characteristics.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)의 제 1 금속산화물층 및 제 2 금속산화물 나노입자층은 동일한 물질로 구성되되 결정특성 및 물질의 형태가 달라 전기적 특성이 다른 층일 수 있다.In addition, the first metal oxide layer and the second metal oxide nanoparticle layer of the memristor 100 according to the embodiment of the present invention may be layers composed of the same material but having different electrical properties due to different crystal properties and material shapes.
일 예로, 제 1 금속산화물 박막층은 절연성을 갖는 비정질의 이산화티탄 박막층일 수 있고, 제 2 금속산화물 나노입자층은 전기전도성이 우수한 결정질의 이산화티탄 나노입자로 구성된 나노입자층일 수 있다.For example, the first metal oxide thin film layer may be an amorphous titanium dioxide thin film layer having insulation, and the second metal oxide nanoparticle layer may be a nanoparticle layer composed of crystalline titanium dioxide nanoparticles having excellent electrical conductivity.
상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 제 2 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 금속산화물 나노입자의 직경은 5 내지 30 nm일 수 있고 바람직하게는 10 내지 20 nm일 수 있다.The second metal oxide nanoparticle layer may include second metal oxide nanoparticles, and the diameter of the second metal oxide nanoparticles may be 5 to 30 nm, preferably 10 to 20 nm.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 금속산화물 박막층 및 상기 금속산화물 나노입자층의 계면에 산소 공공(Oxygen vacancies)을 포함할 수 있다. The memristor 100 according to an embodiment of the present invention may include oxygen vacancies at an interface between the metal oxide thin film layer and the metal oxide nanoparticle layer.
상기 산소 공공(Oxygen vacancies)는 상기 기판 및 전극이 전기적으로 연결할 수 있고, 소자의 저항상태를 변화시켜 스위칭 특성을 나타내도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 이에, 산소 공공(oxygen vacancies)을 포함하는 상기 제 1 금속산화물 박막층(120) 및 제 2 금속산화물나노입자층(130)은 저항변화물질층일 수 있다. The oxygen vacancy may electrically connect the substrate and the electrode, and may perform a function of changing a resistance state of a device to exhibit switching characteristics. Accordingly, the first metal oxide
또한, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 금속산화물 박막층 및 상기 금속산화물 나노입자층의 계면에 전하가 트랩되어 우수한 전하저장능력을 나타낼 수 있다.In addition, the
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 비휘발성 메모리 소자로, 전기적 신호를 가하면 저항이 커 전도가 되지 않는 상태인 오프 상태(OFF state)에서 저항이 작아 전도가 가능한 상태인 온 상태(ON state)로 바뀌는 메모리 특성 즉, RERAM(Resistance Random Access Memory)특성이 나타날 수 있고, 온/오프 상태를 이용하여 정보를 저장할 수 있다. The
또한, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 전압을 조절하여 저항차이를 발생시키는 전압 조절 네거티브 차동 저항(Voltage Controlled Negative Differential Resistance)방식의 RERAM일 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 전압이 증가함에 따라 전류가 큰 상태에서 작아지는 상태로 변할 수 있으며, 이때의 저항 차이를 이용하여 온/오프(ON/OFF) 메모리 특성을 구현할 수 있다. In addition, the
여기서, 전압 조절 네거티브 차동 저항(Voltage Controlled Negative Differential Resistance)방식이란, 전압에 따라 전류를 급격하게 감소시키는 방식일 수 있다.Here, the voltage controlled negative differential resistance method may be a method of rapidly reducing a current according to a voltage.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 외부전원이 공급되지 않은 상태에서도 고저항 상태(High-resistance state, HRS) 또는 저저항 상태(low-resistance state, LRS)가 안정적으로 유지될 수 있다.The
또한, 2 내지 5V의 낮은 전압에서 구동할 수 있어 저전력에서 사용될 수 있다.In addition, it can be operated at a low voltage of 2 to 5V, so it can be used at low power.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 제 1 전압이 인가되면 저항이 큰 'OFF' 상태에서 저항이 작은 'ON' 상태로 빠르게 전기적 특성이 변하는 스위칭 특성이 나타낼 수 있다. 이때 상기 제 1 전압을 셋 전압(set voltage)이라 할 수 있다. 이후, 제 2 전압까지 저항이 낮은 상태를 유지하며 전압이 증가함에 따라 전류가 증가할 수 있으며, 제 2 전압이 되면 저항이 급격하게 증가하는 현상 즉, 네거티브 차동 저항(Negative Differential Resistance)현상이 나타날 수 있다. 이때의 제 2 전압을 리셋 전압(reset voltage)이라 할 수 있다. 이후 일정 전압까지는 저항이 큰 상태로 유지될 수 있다. The
이때, 상기 셋 전압은 0 내지 2V 일 수 있고, 상기 리셋 전압은 5 내지 10 V일 수 있다.In this case, the set voltage may be 0 to 2V, and the reset voltage may be 5 to 10V.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(100)는 상기 전극(140)에 양의 전압을 인가하고, 상기 기판(110)에 그라운드 전압을 인가하면, 셋(set) 과정이 수행될 수 있다. 상기 셋(set) 과정에서, 산소 이온은 전극 방향으로 이동하고, 상기 산소 이온이 이동하여 형성된 빈자리에 산소 공공이 형성됨으로써, 산소 공공(Oxygen vacancies)에 의해 전도성 경로가 생성될 수 있다. 따라서, 소자는 저저항 상태인 'ON' 상태가 될 수 있다. In the memristor 100 according to an embodiment of the present invention, when a positive voltage is applied to the
반면, 상기 전극(140)에 음의 전압을 인가하고, 기판(110)에 그라운드 전압을 인가하면, 리셋(reset) 과정이 수행될 수 있다. 상기 리셋(reset) 과정에서, 산소 공공(Oxygen vacancies)이 소멸되면서 상기 셋(set) 과정에서 생성된 전도성 경로가 소멸될 수 있다. 따라서, 소자는 고저항 상태인 'OFF'상태가 될 수 있다.On the other hand, when a negative voltage is applied to the
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 셋 전압(set voltage) 이상으로 전압을 인가함으로써, 소자의 저항상태를 'OFF'상태에서 'ON'상태로 변화시킬 수 있고, 이를 통해 기록(Writing)기능을 수행할 수 있다. 또한, 리셋 전압(reset voltage)이상의 전압을 인가함으로써, 소자의 저항상태를 'ON'상태에서 'OFF'상태로 변화시킬 수 있고, 일을 통해 지움(erasing)기능을 수행할 수 있다.The
상기 전극은 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 금(Au), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 하프늄(Hf), 이리듐산화물(IrO2), 루테늄산화물(RuO2), 티타늄질화물(TiN) 및 탄탈륨질화물(TaN) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 저비용으로 사용할 수 있는 은(Ag)을 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다.The electrode is silver (Ag), platinum (Pt), iridium (Ir), gold (Au), ruthenium (Ru), tungsten (W), titanium (Ti), nickel (Ni), hafnium (Hf), iridium oxide (IrO2), ruthenium oxide (RuO2), titanium nitride (TiN), and may be any one or more selected from tantalum nitride (TaN), it may be more preferable to use silver (Ag) which can be used at low cost.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법은A method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention
기판상에 제 1 금속산화물 박막층을 형성하는 단계;forming a first metal oxide thin film layer on a substrate;
상기 제 1 금속산화물 박막층이 형성된 기판을 열처리하는 단계;heat-treating the substrate on which the first metal oxide thin film layer is formed;
상기 제 1 금속산화물 박막층상에 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자층을 형성하는 단계; 및forming a crystalline second metal oxide nanoparticle layer on the first metal oxide thin film layer; and
마스크를 이용하여 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. It may include; forming an electrode on the second metal oxide nanoparticle layer using a mask.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법을 나타낸 모식도이다.2 is a schematic diagram showing a method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법은 90°미만의 경사각으로 증착하는 경사증착법을 이용하여 전도성이 우수한 결정질의 금속산화물 나노입자층을 형성할 수 있어, 보다 빠른 스위칭 속도 및 우수한 전하저항 특성을 갖는 멤리스터를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있다.The method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention can form a crystalline metal oxide nanoparticle layer with excellent conductivity by using a gradient deposition method of depositing at an inclination angle of less than 90°, resulting in faster switching speed and A memristor having excellent charge resistance can be easily manufactured at low cost.
이하, 본 발명의 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the memristor device of the present invention will be described in detail for each step.
상기 제 1 금속산화물 박막층은 물리적(Physical Vapor Deposition, PVD) 또는 화학적 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 100 nm이하의 두께의 박막을 제조할 수 있는 다른 방법으로 형성될 수 있다.The first metal oxide thin film layer may be formed by physical (Physical Vapor Deposition, PVD) or chemical vapor deposition (CVD), but is not limited thereto. Another method capable of manufacturing a thin film having a thickness of 100 nm or less can be formed with
상기 제 1 금속산화물 박막층은 비정질의 제 1 금속산화물을 포함하는 층으로, 절연성을 나타낼 수 있다.The first metal oxide thin film layer is a layer including the amorphous first metal oxide, and may exhibit insulation.
상기 제 1 금속산화물 박막의 두께는 10 내지 80 nm일 수 있으며, 20 내지 60 nm인 것이 바람직할 수 있고, 30 내지 50nm인 것이 더욱 바람직할 수 있다. The thickness of the first metal oxide thin film may be 10 to 80 nm, preferably 20 to 60 nm, and more preferably 30 to 50 nm.
만약, 상기 제 1 금속산화물 박막층(110)의 두께가 10 nm 미만인 경우, 상기 제 1 금속산화물 박막층에 의해 전기적 절연이 형성되지 않는 문제가 발생될 수 있고, 상기 상기 제 1 금속산화물 박막층(110)의 두께가 80 nm를 초과하는 경우, 제조되는 소자의 두께가 두꺼워지는 문제가 발생될 수 있다.If the thickness of the first metal oxide
상기 제 1 금속산화물은 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, Al2O3 및 HfO2 중 적어도 하나일 수 있고, 또는 전이금속 산화물일 수 있고, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)일 수 있다. The first metal oxide may be at least one of MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 and HfO 2 , or a transition metal oxide, preferably titanium dioxide ( TiO 2 ) may be.
상기 제 1 금속산화물 박막층이 형성된 기판을 열처리하는 단계는, 상기 제 1 금속산화물 표면에 산소 공공을 형성하는 것일 수 있다. The heat treatment of the substrate on which the first metal oxide thin film layer is formed may include forming oxygen vacancies on the surface of the first metal oxide.
상기 열처리는 500 내지 1000℃의 온도에서 수행될 수 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of 500 to 1000 ℃.
만약, 상기 열처리를 500℃이하에서 수행할 경우, 열처리에 의해 산소 공공이 형성되는 정도가 미비할 수 있고, 상기 열처리를 1000 ℃이상에서 수행할 경우, 산소 공공이 형성되는 정도가 더이상 증가하지 않는 고온에서 수행하므로, 소자 제조의 효율성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.If the heat treatment is performed at 500° C. or less, the degree of oxygen vacancy formation by the heat treatment may be insufficient, and when the heat treatment is performed at 1000° C. or higher, the degree of oxygen vacancy formation does not increase any more. Since it is performed at a high temperature, there may be a problem in that the efficiency of device manufacturing is lowered.
상기 제 1 금속산화물 박막층상에 제 2 금속산화물 나노입자층을 형성하는 단계는 상기 경사증착법(glancing angle deposition technique, GLAD)을 이용하여 상기 제 1 금속산화물 박막층 상에, 결정질의 금속산화물 나노입자를 형성하는 단계일 수 있다. The forming of the second metal oxide nanoparticle layer on the first metal oxide thin film layer includes forming crystalline metal oxide nanoparticles on the first metal oxide thin film layer by using the glancing angle deposition technique (GLAD). It may be a step to
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법은 경사증착장치를 이용하여, 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자를 용이하게 형성할 수 있으며, 이를 통해, 우수한 스위칭 특성을 갖는 멤리스터 소자를 제조할 수 있다.The method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention can easily form crystalline second metal oxide nanoparticles using a gradient deposition apparatus, and through this, a memristor having excellent switching characteristics devices can be manufactured.
상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 브루카이트상의 이산화티탄 나노입자를 포함할 수 있다. The second metal oxide nanoparticle layer may include crystalline second metal oxide nanoparticles. For example, the second metal oxide nanoparticle layer may include brookite-phase titanium dioxide nanoparticles.
도 3은 경사증착장치의 일 예를 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram showing an example of a gradient deposition apparatus.
상기 경사증착장치(200)는 소스(source)부(210) 및 상기 소스부와 일정 거리 떨어진 위치에 배치된 기판홀더(substrate holder)(220)를 포함할 수 있고, 90 °미만의 경사각(α)을 가질 수 있다.The
이때, 상기 경사각(α)은 소스부에 수직한 직선 및 기판홀더에 수직한 직선이 이루는 각도일 수 있고, 상기 기판홀더(220)는 모터를 포함할 수 있으며, 상기 모터에 의해 회전하는 회전 홀더 일 수 있다. In this case, the inclination angle α may be an angle formed by a straight line perpendicular to the source part and a straight line perpendicular to the substrate holder, and the
상기 경사증착장치(200)는 상기 경사각 또는 기판 홀더의 회전속도를 조절함으로써 증착되는 물질의 형태 및 결정성을 조절할 수 있다.The
상기 소스(source)부(210)는 증착하고자 하는 물질을 배치할 수 있으며, 이에 상기 소스부에 제 2 금속산화물을 배치할 수 있다. A material to be deposited may be disposed in the
상기 제 2 금속산화물은 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, Al2O3 및 HfO2 중 적어도 하나일 수 있고, 전이금속 산화물일 수 있고, 바람직하게는, 이산화티탄(TiO2)일 수 있다.The second metal oxide may be at least one of MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 and HfO 2 , and may be a transition metal oxide, preferably, titanium dioxide ( TiO 2 ) may be.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법은 상기 경사증착장치를 이용하되 상기 경사각을 75 내지 85°로 하고, 기판 또는 기판홀더의 회전속도를 300 내지 500 rpm으로 하여 제 2 금속산화물을 제 1 금속산화물 박막층상에 경사증착하는 단계를 포함할 수 있으며, 이를 통해 결정질의 제2 금속산화물 나노입자을 포함하는 나노입자층을 형성할 수 있다.In the method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention, the second inclination angle is 75 to 85°, and the rotation speed of the substrate or substrate holder is 300 to 500 rpm using the inclined deposition apparatus. It may include the step of depositing a metal oxide gradient on the first metal oxide thin film layer, through this, it is possible to form a nanoparticle layer including the crystalline second metal oxide nanoparticles.
상기 제 2 금속산화물 나노입자의 직경은 5 내지 30 nm일 수 있고 바람직하게는 10 내지 20 nm일 수 있다. The diameter of the second metal oxide nanoparticles may be 5 to 30 nm, preferably 10 to 20 nm.
상기 마스크를 이용하여 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 전극을 형성하는 단계는, 상기 나노입자층상에 복수의 전극을 이격하게 형성하는 단계일 수 있다. The step of forming the electrode on the second metal oxide nanoparticle layer using the mask may be a step of forming a plurality of electrodes on the nanoparticle layer to be spaced apart from each other.
이를 위해 상기 마스크는 복수 개의 홀을 포함할 수 있고, 상기 홀은 1 내지 3 mm의 직경을 가질 수 있다. To this end, the mask may include a plurality of holes, and the holes may have a diameter of 1 to 3 mm.
일 예로, 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 복수 개의 홀을 포함하는 마스크를 배치한 후, 증착법을 이용하여 전극을 증착함으로써, 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 이격하게 배치된 복수 개의 전극을 형성할 수 있다. For example, by disposing a mask including a plurality of holes on the second metal oxide nanoparticle layer and then depositing the electrodes using a deposition method, a plurality of electrodes spaced apart on the second metal oxide nanoparticle layer is formed. can be formed
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 멤리스터 소자의 제조(1)<Example 1> Preparation of memristor device (1)
제 1 단계 : RCA-1 표준세정공정을 이용하여, n-type Si 기판을 세척하였다. 이후, 전자빔 증착기(electron beam evaporator)를 이용하여, 40 nm 두께의 이산화티탄(TiO2) 박막을 증착하였다.Step 1: Using the RCA-1 standard cleaning process, the n-type Si substrate was cleaned. Thereafter, using an electron beam evaporator, a titanium dioxide (TiO 2 ) thin film having a thickness of 40 nm was deposited.
제 2 단계 : 상기 이산화티탄(TiO2) 박막이 증착된 n-type Si 기판을 튜브 퍼니스(tube furnace)에 넣고, 500 ℃, 대기분위기에서 1시간동안 열처리하였다. 이때, 승온 및 냉각 속도는 4 ℃/min로 하였다.Second step: The n-type Si substrate on which the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film was deposited was placed in a tube furnace, and heat-treated at 500° C. in an atmospheric atmosphere for 1 hour. At this time, the temperature increase and cooling rate were set to 4°C/min.
제 3 단계 : 이후, 소스(source)부; 상기 소스와 수직방향으로 24 cm 떨어진 위치에 위치하며, 상기 소스와 수직방향에 대하여 85°의 경사각도를 이루도록 배치된 회전기판홀더(substrate holder);를 포함하는 경사증착장치를 이용하여, 상기 이산화티탄(TiO2) 박막상에 15 nm 크기의 이산화티탄(TiO2) 나노입자를 포함하는 나노입자층을 증착하였다.Step 3: Then, the source (source) unit; Using an inclined deposition apparatus comprising a; is positioned at a distance of 24 cm from the source in the vertical direction, and disposed to form an inclination angle of 85° with respect to the source and the vertical direction. A nanoparticle layer including titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles having a size of 15 nm was deposited on a titanium (TiO 2 ) thin film.
상세하게는, 상기 이산화티탄(TiO2) 박막이 증착된 n-type Si 기판을 상기 기판홀더에 배치하고, 460 rpm으로 회전시켰다. 이후, 상기 소스(source)부에 이산화티탄(TiO2) 소스를 배치한 후, 상기 소스에 전자빔(e-beam)을 가하여 이산화티탄(TiO2) 소스를 기화시켜 상기 회전하는 이산화티탄(TiO2) 박막상에 나노입자의 형태로 증착시켰다. 이때, 증착속도는 1.6Å/s로 하였다.Specifically, the n-type Si substrate on which the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film was deposited was placed in the substrate holder and rotated at 460 rpm. Thereafter, after disposing a titanium dioxide (TiO 2 ) source in the source portion, an electron beam (e-beam) is applied to the source to vaporize the titanium dioxide (TiO 2 ) source to evaporate the rotating titanium dioxide (TiO 2 ) ) was deposited in the form of nanoparticles on the thin film. At this time, the deposition rate was 1.6 Å/s.
제 4 단계: 이후, 상기 나노입자층상에 1.5 mm의 지름을 갖는 홀(hole)을 복수개 포함하는 알루미늄(Al) 마스크를 형성하고, 전자빔 증착기(electron beam evaporator)를 이용하여, 은(Ag)을 증착시켜, 은(Ag) 전극을 형성하였다. 이때, 상기 은(Ag) 전극의 접촉 면적은 1.77 x 10-6 m2이었다.Step 4: Then, an aluminum (Al) mask including a plurality of holes having a diameter of 1.5 mm is formed on the nanoparticle layer, and silver (Ag) is formed using an electron beam evaporator. By vapor deposition, a silver (Ag) electrode was formed. In this case, the contact area of the silver (Ag) electrode was 1.77 x 10 -6 m 2 .
<실험 예 1> 주사전자현미경(SEM) 관찰 및 원소분석(EDXA)<Experimental Example 1> Scanning electron microscope (SEM) observation and elemental analysis (EDXA)
본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터 소자의 형태 및 원소분석을 하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자를 전계방출형 주사전자현미경(Field Emission Gun-Scanning Electron Microscopes FEGSEM) 및 에너지 분산 X선 분석기(Energy Dispersive X-ray Analysis, EDXA)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 4 내지 6에 나타내었다.In order to analyze the shape and element of the memristor device manufactured according to the embodiment of the present invention, the memristor device manufactured according to Example 1 was subjected to a field emission scanning electron microscope (Field Emission Gun-Scanning Electron Microscopes FEGSEM) and energy Analysis was performed using an Energy Dispersive X-ray Analysis (EDXA), and the results are shown in FIGS. 4 to 6 .
도 4에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해, n-Si 기판상에 약 40nm 두께의 박막층이 형성되고, 상기 박막상에 약 15 nm의 크기를 갖는 나노입자를 포함하는 나노입자층이 형성된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4 , it was found that, by Example 1, a thin film layer with a thickness of about 40 nm was formed on an n-Si substrate, and a nanoparticle layer including nanoparticles having a size of about 15 nm was formed on the thin film. can
또한, 도 5 및 도 6을 통해, 상기 박막층 및 나노입자층이 타이타늄(Ti) 및 산소(O) 원소로 구성된 것을 알 수 있다.5 and 6, it can be seen that the thin film layer and the nanoparticle layer are composed of titanium (Ti) and oxygen (O) elements.
<실험 예 2> 광발광(Photoluminescence, PL) 및 라만(Raman) 분석<Experimental Example 2> Photoluminescence (PL) and Raman analysis
본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터 소자의 광발광 특성 및 결정구조, 산소 공공(oxygen vacancies)을 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자를 광발광(Photoluminescence, PL) 분석기 및 532 nm파장 소스를 사용한 라만(Raman) 분석기를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 7 및 8에 나타내었다.In order to confirm the photoluminescence characteristics, crystal structure, and oxygen vacancies of the memristor device manufactured according to the embodiment of the present invention, the memristor device manufactured in Example 1 was analyzed using a photoluminescence (PL) analyzer. and a Raman analyzer using a 532 nm wavelength source, and the results are shown in FIGS. 7 and 8 .
도 7은 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 각각에 대한 상온에서의 광발광 특성을 나타낸 그래프로, 상기 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 대비 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)의 광발광 강도가 현저히 높은 것을 알 수 있다. 7 is a titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) and titanium dioxide (TiO 2 ) A graph showing the photoluminescence characteristics at room temperature for each of the nanoparticle layer (TiO 2 NPs), the titanium dioxide (TiO 2 ) It can be seen that the photoluminescence intensity of the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) is significantly higher than the thin film layer (TiO 2 TF).
이는 열처리에 의해 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 사이에 산소 공공(oxygen vacancies)을 발생시킨 것에 의한 것으로 볼 수 있다. 즉, 상기 산소 공공(oxygen vacancies)이 전도대 최소값(conduction band minimum, CBM)의 전자와 가전자대 최대값(valence band maximum, VBM)의 홀(hole)사이의 방사 재결합(radiative recombination)에 의해 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 사이의 전자 트랩(electron traps)으로 작용한 것으로 볼 수 있다. 상기 전자 트랩은 멤리스터 소자의 비휘발성 저장을 향상시킬 수 있다.This is due to the generation of oxygen vacancies between the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) and the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) by heat treatment. That is, the oxygen vacancies are formed in titanium dioxide by radial recombination between electrons of conduction band minimum (CBM) and holes of valence band maximum (VBM). (TiO 2 ) It can be seen that the thin film layer (TiO 2 TF) and the titanium dioxide (TiO 2 ) act as electron traps between the nanoparticle layer (TiO 2 NPs). The electron trap may improve the non-volatile storage of the memristor device.
도 8은 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 각각에 대한 상온에서의 라만분석 결과로, 상기 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 대비 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)의 강도가 현저히 높은 것을 알 수 있다. 이는 열처리에 의해 상기 이산화티탄(TiO2) 박막 표면상에 산소 공공이 발생하고, 상기 산소 공공에 의해 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 사이에 결함 트랩(defects traps)이 더욱 발생했기 때문일 수 있다. 8 is a Raman analysis result at room temperature for each of the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) and the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs), the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO) 2 TF) compared to titanium dioxide (TiO 2 ) It can be seen that the strength of the nanoparticle layer (TiO 2 NPs) is significantly higher. Which the titanium dioxide by heat treatment (TiO 2) the oxygen vacancy occurs on the thin film surface, and the titanium dioxide by the oxygen vacancy (TiO 2) film layer (TiO 2 TF) and titanium dioxide (TiO 2) nanoparticle layer (TiO 2 This may be because more defect traps occurred between the NPs).
또한, 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 대비 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)의 그래프의 강도가 높아지고, 반값 전폭(full width at half maxima, FWHM)의 크기가 작아진 것을 통해 결정성이 더욱 향상된 것을 알 수 있으며, 462 cm-1 및 510 cm-1의 피크를 통해 브루카이트상(brookite phase)이 형성된 것을 알 수 있다.In addition, the strength of the graph of the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) is increased compared to the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF), and the size of the full width at half maxima (FWHM) is small. It can be seen that the crystallinity is further improved, and the brookite phase is formed through the peaks of 462 cm -1 and 510 cm -1 .
<실험 예 3> X선- 회절 분석<Experimental Example 3> X-ray-diffraction analysis
본 발명의 실시예에 따라 제조된 멤리스터 소자에서의 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)의 결정구조를 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자를 X-선 회절(X-ray Diffraction, XRD) 분석을 하였으며, 그 결과를 도 9 및 10에 나타내었다.In order to confirm the crystal structure of the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) and the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) in the memristor device manufactured according to an embodiment of the present invention, Examples 1 was subjected to X-ray diffraction (XRD) analysis of the memristor device, and the results are shown in FIGS. 9 and 10 .
도 9는 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF)의 X-선 회절 분석결과로, 도 8을 통해 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF)에서는 특정 피크가 나타나지 않는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF)이 비정질(Amorphous)인 것을 알 수 있다.Figure 9 is the titanium dioxide (TiO 2) thin film layer of titanium dioxide (TiO 2) film layer (TiO 2 TF) by X- ray diffraction analysis of the (TiO 2 TF), with reference to FIG. 8 it can be seen that it does not have any particular peak , through which it can be seen that the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) is amorphous.
도 10은 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)의 X-선 회절 분석 결과로, 도 10을 통해 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)은 이산화티탄 브루카이트상(brookite phase)에 해당하는 B(610) 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs)은 결정질인 것을 알 수 있다. 10 is titanium dioxide (TiO 2) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) X- ray diffraction analysis as a result, the titanium dioxide (TiO 2) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) through 10 of the titanium dioxide brookite phase (brookite phase), it can be seen that the peak B (610) appears, and through this, it can be seen that the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs) is crystalline.
이를 통해, 경사증착법(GLAD)를 사용하여 85°의 경사각도 및 460 rpm의 회전속도로 증착할 경우, 결정질 이산화티탄(TiO2) 나노입자가 형성되는 것을 알 수 있다.Through this, it can be seen that crystalline titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles are formed when deposition is performed using a gradient deposition method (GLAD) at an inclination angle of 85° and a rotation speed of 460 rpm.
<실험 예 4> 전류-전압(Current-Voltage, I-V) 특성평가<Experimental Example 4> Current-Voltage (I-V) characteristic evaluation
본 발명의 멤리스터 소자(Memristor device)의 전류-전압(Current-Voltage, I-V) 관계를 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자를 일정 전압 범위를 스위핑(sweeping)하여 전압 변화에 따른 전류값을 측정하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.In order to confirm the current-voltage (Current-Voltage, IV) relationship of the memristor device of the present invention, the memristor device manufactured in Example 1 was swept over a predetermined voltage range to respond to the voltage change. The current value was measured accordingly, and the results are shown in FIG. 11 .
도 11에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자는 외부전원이 공급되지 않은 상태에서도 고저항 상태(High-resistance state, HRS) 또는 저저항 상태(low-resistance state, LRS)가 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.11, the memristor device manufactured according to Example 1 has a high-resistance state (HRS) or a low-resistance state (LRS) even when external power is not supplied. It can be seen that it remains stable.
초기에는, 열처리에 의해 형성된 많은 양의 산소 공공(oxygen vacancies)이 이산화티탄(TiO2) 박막층(TiO2 TF) 및 이산화티탄(TiO2) 나노입자층(TiO2 NPs) 사이에 존재할 수 있다.Initially, a large amount of oxygen vacancies formed by heat treatment may exist between the titanium dioxide (TiO 2 ) thin film layer (TiO 2 TF) and the titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticle layer (TiO 2 NPs).
전압이 (-)전압에서 (+) 전압으로 바뀔 때, 0.2V부근에서 전류는 약 3배이상 급격히 증가하며, 이는 전기저항상태가 고저항 상태(High-resistance state, HRS)인 OFF state에서 저저항상태(low-resistance state, LRS)인 On state상태로 바뀜을 나타낸다. 여기서 0.2V는 셋 전압(set voltage)로 볼 수 있다.When the voltage changes from (-) voltage to (+) voltage, the current rapidly increases about 3 times or more around 0.2V, which is low in the OFF state where the electrical resistance state is a high-resistance state (HRS). It represents a change to the On state, which is a low-resistance state (LRS). Here, 0.2V can be viewed as a set voltage.
상기 전압을 0.2V 이상으로 증가시킨 결과, 인가전압이 5.07V가 될때까지 전압이 증가함에 따라 전류가 증가하는 저저항상태(low-resistance state, LRS) 및 On state상태가 유지되었다. 이후, 전압이 5.07V에 도달했을 때, 전류는 급격하게 감소하고, 저항은 증가하는 네거티브 차동 저항(Negative Differential Resistance, NDR) 거동을 나타내는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 5.07는 리셋 전압(reset voltage)으로 볼 수 있다. As a result of increasing the voltage to 0.2V or more, a low-resistance state (LRS) and an On-state state in which the current increases as the voltage increases until the applied voltage becomes 5.07V were maintained. Thereafter, when the voltage reaches 5.07V, it can be seen that the current rapidly decreases and the resistance increases, indicating a negative differential resistance (NDR) behavior. In this case, 5.07 may be regarded as a reset voltage.
또한, 상기 전압이 5.07V를 초과하는 영역에서는 전류가 OFF state로 계속해서 나타났다. 상기 전압이 0.2V로 되돌아가는 동안, 저항은 중간 저항상태를 나타내다, 2V에서, 5 x 104 Ω의 고저항상태에 도달하였다.In addition, in the region where the voltage exceeds 5.07V, the current continuously appeared in the OFF state. While the voltage returned to 0.2V, the resistance showed an intermediate resistance state, and at 2V, a high resistance state of 5 x 104 Ω was reached.
I-V 특성을 측정할 때, 소자는 첫번째 루프(loop)와 대부부 동일한 전류 곡선을 나타내며, 이는 재기록 메모리 효과(rewritable memory effect)를 나타내는 것으로 볼 수 있다.When measuring the I-V characteristics, the device exhibits most of the same current curve as that of the first loop, which can be seen as exhibiting a rewritable memory effect.
이에, 상기 소자는 전압을 셋 전압(set voltage)에서 약간 높은 전압을 인가함으로써, OFF상태에서 ON상태로 셋(set)할 수 있으며, 이를 통해 기록(writing)하고, 상기 전압을 네거티브 차동 저항(NDR)영역을 초과하는 전압을 인가함으로써 ON상태에서 OFF상태로 리셋(reset)할 수 있으며 이를 통해 지움(erasing)기능을 수행할 수 있다.Accordingly, the device can set the voltage from the OFF state to the ON state by applying a slightly higher voltage from the set voltage, and writes through this, and sets the voltage to a negative differential resistor ( By applying a voltage exceeding the NDR region, it can be reset from the ON state to the OFF state, and an erasing function can be performed through this.
<실험 예 5> 저장 특성 평가<Experimental Example 5> Storage characteristics evaluation
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(Memristor device)의 저장 능력을 확인하기 위해, 하기와 같은 실험을 하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다.In order to confirm the storage capacity of the memristor device according to an embodiment of the present invention, the following experiment was performed, and the results are shown in FIG. 12 .
실시예 1에 따라 제조된 멤리스터 소자의 은 전극에 -2V를 인가한 상태에서, 백색광을 30초 간격으로 온-오프(On-off)하였다. 이때 상승시간(rise tige, Tr)은 2.5초, 하강시간(fall time, Tf)은 3초로 수신되었다. In a state where -2V was applied to the silver electrode of the memristor device manufactured according to Example 1, white light was turned on/off at intervals of 30 seconds. At this time, the rise time (rise time, Tr) was received as 2.5 seconds, and the fall time (fall time, Tf) was received as 3 seconds.
도 12에 나타난 바와 같이, 측정결과, 보다 긴 감쇠 시간(decay time)은 과잉 캐리어의 수명에 의해 지배되며, 이는 나노입자층에 포함된 15nm크기의 나노 입자 내의 결함 또는 산소 공공에 의해 다양한 트래핑 상태가 발생하기 때문일 수 있다. 상기 결과를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(Memristor device)는 보다 향상된 저장 특성을 나타냄을 알 수 있다. As shown in FIG. 12, as a result of the measurement, the longer decay time is dominated by the lifetime of the excess carriers, which causes various trapping states due to defects or oxygen vacancies in 15 nm-sized nanoparticles included in the nanoparticle layer. This may be because it occurs Through the above results, it can be seen that the memristor device according to the embodiment of the present invention exhibits more improved storage characteristics.
<실험 예 5> C-V(Capacitacnce-Voltage) 히스테리시스 특성평가<Experimental Example 5> C-V (Capacitacnce-Voltage) hysteresis characteristic evaluation
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(Memristor device)의 C-V 히스테리시스 특성을 확인하기 위해, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자에 대해, Agilent E4980A LCR meter를 이용하여, 100MHz 및 1 MHz의 주파수(frequency) 각각에 대하여, 상온에서, -10V 내지 10V의 게이트 전압에 따른 캐패시턴스(capacitance)를 측정하고 그 결과를 도 13에 나타내었다. In order to confirm the CV hysteresis characteristics of the memristor device according to an embodiment of the present invention, for the memristor device manufactured in Example 1, using an Agilent E4980A LCR meter, frequencies of 100 MHz and 1 MHz For each (frequency), at room temperature, capacitance according to a gate voltage of -10V to 10V was measured, and the results are shown in FIG. 13 .
도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 멤리스터 소자는 전압 변화에 따라 히스테리시스 거동을 나타내었다. As shown in FIG. 13 , the memristor device manufactured according to Example 1 exhibited hysteresis behavior according to voltage change.
캐패시턴스 값은 100MHz 및 1 MHz에서 각각 26x10-11 F 6.17x10-11 F로 나타났으며, 이는 상기 멤리스터 소자의 이산화티탄 박막층 및 이산화티탄 나노입자층 사이의 계면에 전하가 트랩되어 우수한 전하저장능력이 나타난 것으로 볼 수 있다. Capacitance values were 26x10 -11 F and 6.17x10 -11 F at 100 MHz and 1 MHz, respectively, indicating that charges were trapped at the interface between the titanium dioxide thin film layer and the titanium dioxide nanoparticle layer of the memristor device, resulting in excellent charge storage ability. can be seen to have appeared.
100: 멤리스터
110: 기판
120: 박막층
130: 나노입자층
140: 전극
200: 경사증착장치
210: 소스부
220: 기판홀더100: memristor
110: substrate
120: thin film layer
130: nanoparticle layer
140: electrode
200: gradient deposition device
210: source unit
220: substrate holder
Claims (10)
상기 기판상에 배치된 10 내지 80 nm 두께의 제 1 금속산화물 박막층;
상기 제1 금속산화물 박막층상에 배치된 제 2 금속산화물 나노입자층;
상기 제 2 금속산화물 나노입자층 상에 배치된 전극; 및
상기 제 1 금속산화물 박막층 및 상기 제 2 금속산화물 나노입자층의 계면에 형성된 산소 공공(Oxygen vacancies)을 포함하는,
멤리스터(Memristor) 소자.
Board;
a first metal oxide thin film layer having a thickness of 10 to 80 nm disposed on the substrate;
a second metal oxide nanoparticle layer disposed on the first metal oxide thin film layer;
an electrode disposed on the second metal oxide nanoparticle layer; and
Oxygen vacancies formed at the interface between the first metal oxide thin film layer and the second metal oxide nanoparticle layer,
Memristor device.
상기 제 1 금속산화물 박막층은 비정질인,
멤리스터(Memristor) 소자.
According to claim 1,
The first metal oxide thin film layer is amorphous,
Memristor device.
상기 제 2 금속산화물 나노입자층은 결정질인,
멤리스터(Memristor) 소자.
According to claim 1,
The second metal oxide nanoparticle layer is crystalline,
Memristor device.
상기 제 1 금속산화물은 이산화티탄(TiO2)인,
멤리스터(Memristor) 소자.
According to claim 1,
The first metal oxide is titanium dioxide (TiO 2 ),
Memristor device.
상기 제 2 금속산화물은 이산화티탄(TiO2)인,
멤리스터(Memristor) 소자.
According to claim 1,
The second metal oxide is titanium dioxide (TiO 2 ),
Memristor device.
상기 전극은 은(Ag) 전극인,
멤리스터(Memristor) 소자.
According to claim 1,
The electrode is a silver (Ag) electrode,
Memristor device.
상기 제 1 금속산화물 박막층이 형성된 기판을 열처리하는 단계;
상기 제 1 금속산화물 박막층상에 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자층을 형성하는 단계; 및
마스크를 이용하여 상기 제 2 금속산화물 나노입자층상에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는
멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법.
forming an amorphous first metal oxide thin film layer on a substrate;
heat-treating the substrate on which the first metal oxide thin film layer is formed;
forming a crystalline second metal oxide nanoparticle layer on the first metal oxide thin film layer; and
Forming an electrode on the second metal oxide nanoparticle layer using a mask; including
A method of manufacturing a memristor device.
상기 결정질의 제 2 금속산화물 나노입자층은 경사증착법(glancing angle deposition technique, GLAD)을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는
멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The crystalline second metal oxide nanoparticle layer is characterized in that it is formed using a glancing angle deposition technique (GLAD)
A method of manufacturing a memristor device.
상기 멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법은 상기 열처리를 통해 상기 제 1 금속산화물 박막층상에 산소 공공(Oxygen vacancies)을 형성하는 것을 특징으로 하는
멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The method of manufacturing the memristor device is characterized in that oxygen vacancies are formed on the first metal oxide thin film layer through the heat treatment.
A method of manufacturing a memristor device.
상기 열처리는 500 내지 1000℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는
멤리스터(Memristor) 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The heat treatment is characterized in that performed at a temperature of 500 to 1000 ℃
A method of manufacturing a memristor device.
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