[논문]음이온 기반 멤리스터의 최신 기술동향 및 이슈

이홍섭

doi:10.6117/kmeps.2019.26.1.001

음이온 기반 멤리스터의 최신 기술동향 및 이슈
The Latest Trends and Issues of Anion-based Memristor 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.1, 2019년, pp.1 - 7

이홍섭 (강원대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, memristor (anion-based memristor) is referred to as the fourth circuit element which resistance state can be gradually changed by the electric pulse signals that have been applied to it. And the stored information in a memristor is non-volatile and also the resistance of a memristor can vary, through intermediate states, between high and low resistance states, by tuning the voltage and current. Therefore the memristor can be applied for analogue memory and/or learning device. Usually, memristive behavior is easily observed in the most transition metal oxide system, and it is explained by electrochemical migration motion of anion with electric field, electron scattering and joule heating. This paper reports the latest trends and issues of anion-based memristor.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Conceptual schematic of resistive switching mechanism of memristor.
그림 Fig. 2. Typical I-V characteristic of memristor. The numbers indicate switching sequence. (reprinted with permission from [13], Springer Nature).
그림 Fig. 3. Conceptual schematic of representative resistive switching mechanism of filament type and interface type. Arrows colors of each bias correspond to directions of oxygen anion migration.
그림 Fig. 4. Complementary switching curve. (reprinted with permission from [16], Springer Nature).
그림 Fig. 5. a) Schematic diagram of crossbar array architecture, b) circuit diagram of 2 x 2 crossbar array architecture. (reprinted with permission from [19], Springer Nature).
그림 Fig. 6. Solutions for sneak current issue.
그림 Fig. 7. Virtual potentiation/depression characteristics: a) ideal curve, b) real curve.
그림 Fig. 8. a) a representative TEM image of a 3 × 3 memristor crossbar array with 2 × 2nm2 device area and with sub-12-nm pitch. b) a typical I-V curve for a 2-nm Pt/TiO_x/HfO₂/Pt memristor in the array. c) Simulated electric field distribution in 2-nm memristor crossbars with the centre cell selected are plotted for a cross-sectional view along the bottom electrode direction. (reprinted with permission from [22], Springer Nature).
그림 Fig. 9. a) a conceptual schematic of the epiRAM during switching. b) cross-sectional TEM image of 60nm SiGe grown on a Si substrate. Scale bar, 25 nm c) cross-sectional SEM image of an epiRAM device. (reprinted with permission from [23], Springer Nature).
그림 Fig. 11. Conceptual schematic of gate tunable potentiation/depression curve.
그림 Fig. 10. a) I_D-V_D curves for ten consecutive sweeps at each gate bias V_G for the same device. b) Transfer characteristics of a memtransistor at V_D = 0.1 V. (reprinted with permission from [24], Springer Nature).

AI 본문요약
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문제 정의

4와 같이 crossbar array 구조의 고집적도의 메모리소자의 제작이 가능하며 동시에 빠른 switching 속도와 저 전압에서 동작이 가능하므로 NAND flash memory를 대체할 차세대 비휘발 메모리(ReRAM)로 많은 기대와 함께 연구되어 왔으나, 현재까지 몇가지의 기술적 이슈들이 남아있다. 그중 대표적인 이슈인 reliability, operating current, sneak current에 대해 소개하고 이를 해결하기 위해 최근 발표된 연구 사례를 소개하고자 한다.
본 논문에서 memristor의 최근 연구동향 및 이슈들에 대하여 간략히 살펴보았다.
또한 최근 memristor의 analogmemory 특성을 이용한 뉴로모픽 컴퓨팅소자와 같은 새로운 응용분야가 개발됨으로써 활발히 연구가 진행되고 있다. 본고에서는 위의 다양한 memristor 중 음이온 기반 memristor의 기본 컨셉과 최신 기술동향 및 이슈들에 대하여 소개하고자 한다.

가설 설정

b) a typical I–V curve for a 2-nm Pt/TiO_x/HfO₂/Pt memristor in the array. c) Simulated electric field distribution in 2-nm memristor crossbars with the centre cell selected are plotted for a cross-sectional view along the bottom electrode direction. (reprinted with permission from [22], Springer Nature).

제안 방법

Fig. 9은 최근 Jeehwan Kim group이 발표한 연구결과로 저자들은 박막 형태의 memristor에 형성되는 filament를 제어하고자 remote epitaxy 기술을 이용하여 SiGe epiRAM 소자를 구현하였다. Remote epitaxy는 단결정 기판 위에 2~3 층의 graphene을 올리고 그 위에 박막을 epi-growth하는기술로 graphene이 하부기판의 potential을 투영하여 epi-growth를 가능하게 한다.
2nm 폭의 전극을 이용하여 동작전류를 획기적으로 줄일 수 있었다. 또한 sneak current를 제한하기 위하여 TiOx/HfO₂ bilayer 구조를 도입함으로써 diode형태의 3x3 crossbar array 구조의 memristor 소자를 구현하였다.

후속연구

현재 남아 있는 이슈들을 해결하기 위하여 현재에도 다양한 솔루션과 아이디어가 보고되고 있고 새로운 응용 분야 또한 개발되고 있어 미래가 기대되는 분야이다. 현재로써 defect control 또는 filament를 제어할 수 있는 방안이 제시되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	memristor는 무엇인가?	수동소자를 구성하는 기본요소인 resistor, capacitor,inductor에 이은 네 번째 구성요소로 구분되고 있는memristor는 memory와 resistor의 합성어로 재료가 저항을 바꾸고 그 상태를 기억하는 재료를 말한다.1) 외부에서 전압이 가해지면 재료의 상태 변화가 발생하고 결과적으로 저항이 바뀌는 재료에 대하여 memristor로 통칭하므로 최근 그 용어의 사용이 ferroelectric tunnel junction, spin-torquetransfer, ionic-based, phase change materials로 확장되어 가고 있다.
	차세대 비휘발 메모리로 무엇이 있는가?	1) 외부에서 전압이 가해지면 재료의 상태 변화가 발생하고 결과적으로 저항이 바뀌는 재료에 대하여 memristor로 통칭하므로 최근 그 용어의 사용이 ferroelectric tunnel junction, spin-torquetransfer, ionic-based, phase change materials로 확장되어 가고 있다.2-5) 과거 이러한 재료의 상태변화 특성을 이용하는 응용분야로 차세대 비휘발 메모리가 대표적으로ferroelectric random access memory (FeRAM), ferroelectricfield effect transistor memory (FeFET memory), phasechange RAM (PCRAM), spin-toque transfer magnetic RAM(STT-MRAM), resistive RAM (ReRAM) 등이 있다.6-10) 이러한 차세대 비휘발 메모리 후보 중 memristor를 이용하는 ReRAM은 빠른 switching 속도(1 μm~100 ns) 와 큰 on/off ratio (10~103) 로 2000년대 초반부터 활발히 연구되기 시작하였다.
	MoS2 2차원 전자소재를 이용한 memtransistor 소자는 무엇인가?	최근 MoS2 2차원 전자소재를 이용한 memtransistor 소자가 Mark Hersam group에 의해 보고되었다. 이 소자의 경우 MoS2 memristor를 채널 층으로 사용하는 lateral 구조의 transistor 소자이다. 게이트를 가지는 memristor로 3terminal의 능동형 소자이다. “메모리 기능을 가지는transistor”의 컨셉은 기존 floating gate나 ferroelectric FET와 동일하나 게이트가 아닌 drain terminal을 통하여 writing 한다는 차이가 있다.

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