[논문]저결함 그래핀 양자점 구조를 갖는 RGO 나노 복합체 기반의 저항성 메모리 특성

김용우; 황성원

저결함 그래핀 양자점 구조를 갖는 RGO 나노 복합체 기반의 저항성 메모리 특성
Memristive Devices Based on RGO Nano-sheet Nanocomposites with an Embedded GQD Layer 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.20 no.1, 2021년, pp.54 - 58

김용우 (상명대학교 시스템반도체공학과) , 황성원 (상명대학교 시스템반도체공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The RGO with controllable oxygen functional groups is a novel material as the active layer of resistive switching memory through a reduction process. We designed a nanoscale conductive channel induced by local oxygen ion diffusion in an Au / RGO+GQD / Al resistive switching memory structure. A strong electric field was locally generated around the Al metal channel generated in BIL, and the local formation of a direct conductive low-dimensional channel in the complex RGO graphene quantum dot region was confirmed. The resistive memory design of the complex RGO graphene quantum dot structure can be applied as an effective structure for charge transport, and it has been shown that the resistive switching mechanism based on the movement of oxygen and metal ions is a fundamental alternative to understanding and application of next-generation intelligent semiconductor systems.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

(a) I – V curves of Au / RGO+GQD / Au memory devices plotted on a semi-logarithmic scale. (b) Cross-section view TEM images of the Au / RGO+GQD / Au, the scale bar indicates 500 nm.
5 µm. (b) ID / IG ratio is represented by the color, respectively.
Au / RGO / Al 구조는 기포 형성없이 안정적인 저항성 스위칭 동작을 보여주었다. 따라서, BIL의 Al 고유 산화물과 그래핀 양자점이 Au / 복합RGO / Al 메모리 구조에서 양극성 저항 스위칭에 역할을 한다고 가정 할 수 있다. 전극에 음의 bias를 적용및 유지하고 양의 임계 전압에서 저항이 급격히 증가하였다.

제안 방법

Cross-Bar Type 의 Au / RGO+GQD / Al 구조는 열증 착에 의해 100 µm 폭의 중첩된 하드 마스크를 사용하여 SiO₂ 기판 위에 증착하였다. Al 바닥 전극은 전자빔 증착법을 사용하여 증착하였고, Au 및 Al 바닥 전극은 Ti 접착층에 증착하였다. Fig.
나노 스케일 전도성 채널을 설계하였다. BIL에서 생성되는 Al 금속 채널 주위에 국부적으로 강한 전기장을 생성하고, 복합 RGO 그래핀 양자점 영역에서 직접적인 전도성 저차원 채널의 국부 형성을 확인하였다. 복합 RGO 그래핀 양자점 구조의 저항성 메모리 설계는 전하 수송에 효과적인 구조로 적용이 가능하고, 산소 및 금속 이온의 이동을 기반으로 하는 저항성 스위칭 메커니즘이 차세대 지능형 반도체 시스템 대한 이해와 응용에 근본적인 대안임을 보여주었다.
HRTEM (High-resolution Transmission Microscopy) (FEI Tecnai F30 S-Twin)을 사용하여 복합 RGO 그래핀 양자점 영역의 저항성 메모리 구조에 대해 형태학적 및 나노 구조 분석을 각각 수행하였다. 소자의 전류 - 전압 (I–V) 곡선은 전기전자 워크 스테이션 (Keithley 2400) 에서 측정하였고, 전도성 AFM을 사용하여 국소 전도성 경로 연구를 수행했다 (XE-100, PSIA).
비정질 인터페이스 구조에서 유도된 나노스케일 Al 금속 필라멘트에 대해서도 이전에 보고되었지만 복합 GO 활성층에서 전도 경로의 결함 영향을 밝히는 것은 여전히 어려운 상황이다. 본 연구에서는 복합 RGO 그래핀 양자점 구조를 설계하였고, 2차원 구조 적층 설계기반의 저항성 메모리에 적용하여 전기적/구조적인 특성을 분석하였다. 복합 RGO 그래핀 양자점 구조에서 유도된 전도성 필라멘트를 체계화하는 방법은 GO 구조 및 전극의 역할을 이해하는데 중요하며 실용적인 저차원 기반의 그래핀 양자점 메모리 구조를 설계하는데 필수라고 할 수 있다.
본 연구에서는 전도성 AFM 및 HRTEM 이미지와 Raman 스펙트럼을 사용하여 Au / RGO+GQD / Al 저항성 스위칭 메모리 구조에서 국소 산소 이온 확산에 의해 유도된 나노 스케일 전도성 채널을 설계하였다. BIL에서 생성되는 Al 금속 채널 주위에 국부적으로 강한 전기장을 생성하고, 복합 RGO 그래핀 양자점 영역에서 직접적인 전도성 저차원 채널의 국부 형성을 확인하였다.
각각 수행하였다. 소자의 전류 - 전압 (I–V) 곡선은 전기전자 워크 스테이션 (Keithley 2400) 에서 측정하였고, 전도성 AFM을 사용하여 국소 전도성 경로 연구를 수행했다 (XE-100, PSIA). 복합 RGO 그래핀 양자점 영역의 화학적 상태는 Raman 스펙트럼 (532 nm laser line, HEDA).
초음파 처리하여 박리 된 GO 시트 제작 후, 원심 분리 및 수정된 필터링 공정을 통해 RGO를 추출하였다. 수정된 CVD 법을 통해 Cu 박막에서 크기별 그래핀 양자점을 패터닝 된 전극 위에 직성장을 하였다. 탈 이온수 클리닝 공정을 통해 복합 RGO 층 세척 후 열처리를 진행하였다.
5(a)는 수정된 Hummers방법을 통해 흑연산화물로부터 저결함 그래핀 양자점을 설계하였고, 이를 Al 기판 위 두 전극 구조에 적용한 개략도이다. 저항성 메모리 구조를 제작하기 위해 금속 기판 위에 bottom interface layer (BIL) 설계 후, 활성층내 그래핀 양자점을 코팅하였으며, 전도성 금속 이온 구조를 적용하였다. 5 ~ 10 nm 그래핀 양자점 구조가 제작된 후, Al이온은 전도성 산화 그래핀 영역의 채널로 형성되었다[20, 21].
ON 및 OFF 상태에서 확인된 전도성 AFM 및 Raman 스펙트럼은 복합 RGO 그래핀 양자점 구조에서 전기 전도도 및 화학적 상태의 국부적인 변화를 보였으며 이는 고도로 결정화된 2차원 구조가 저항성 메모리 구조로서 가능함을 알 수 있다. 전기 전도성 경로는 인가된 전기장에 의해 그래핀 양자점 네트워크와 연결된 산소 기능 그룹의 분리에 의해 유도된 산소 및 금속 이온 확산에 의해 나노 스케일 복합 그래핀 양자점 영역에 형성된 국부적인 전도성 채널의 증거를 제공하였다.
초음파 처리하여 박리 된 GO 시트 제작 후, 원심 분리 및 수정된 필터링 공정을 통해 RGO를 추출하였다. 수정된 CVD 법을 통해 Cu 박막에서 크기별 그래핀 양자점을 패터닝 된 전극 위에 직성장을 하였다.
수정된 CVD 법을 통해 Cu 박막에서 크기별 그래핀 양자점을 패터닝 된 전극 위에 직성장을 하였다. 탈 이온수 클리닝 공정을 통해 복합 RGO 층 세척 후 열처리를 진행하였다. Cross-Bar Type 의 Au / RGO+GQD / Al 구조는 열증 착에 의해 100 µm 폭의 중첩된 하드 마스크를 사용하여 SiO₂ 기판 위에 증착하였다.

대상 데이터

Williams 그룹의 Pt / TiO₂ / Pt 메모리 구조에서도 기포의 형성은 전극 계면이 아닌 GO 구조 내부에서 산소 이온의 확산을 통해 형성되는 것으로 알려져 있다[18, 19]. BIL이 TiO₂ / Pt 기반 메모리 구조의 파괴를 방지하기 때문에 Al 전극을 적용하였다. 전류는 전극구조의 영구적인 파괴를 방지하기 위해 20 µA의 컴플라이언스 전류에 의해 제한되었다.
탈 이온수 클리닝 공정을 통해 복합 RGO 층 세척 후 열처리를 진행하였다. Cross-Bar Type 의 Au / RGO+GQD / Al 구조는 열증 착에 의해 100 µm 폭의 중첩된 하드 마스크를 사용하여 SiO₂ 기판 위에 증착하였다. Al 바닥 전극은 전자빔 증착법을 사용하여 증착하였고, Au 및 Al 바닥 전극은 Ti 접착층에 증착하였다.
2(a)는 120 ~ 350 K 범위의 다양한 온도에서 측정 된고저항 상태 (High Resistance State, HRS) 및 저저항 상태 (Low Resistance State, LRS)의 저항 변화를 나타낸다. 금속 전극은 전기장 하에서 복합 RGO 활성층을 관통하고, 금속이온으로 구성된 전도성 필라멘트를 생성하였다. 온도가 증가함에 따라 고저항 상태 및 저저항 상태에서 저항이 감소하였고, 복합 RGO / 그래핀 양자점의 전도 경로는 금속 이온의 침투로 인한 영향 뿐만 아니라 반도체 거동을 나타내었다.

성능/효과

Au / RGO+GQD / Al 설계는 안정적인 양극 저항성 스위칭 (Bipolar Resistive Switching, BRS) 동작을 나타낸다. ON 및 OFF 상태에서 확인된 전도성 AFM 및 Raman 스펙트럼은 복합 RGO 그래핀 양자점 구조에서 전기 전도도 및 화학적 상태의 국부적인 변화를 보였으며 이는 고도로 결정화된 2차원 구조가 저항성 메모리 구조로서 가능함을 알 수 있다. 전기 전도성 경로는 인가된 전기장에 의해 그래핀 양자점 네트워크와 연결된 산소 기능 그룹의 분리에 의해 유도된 산소 및 금속 이온 확산에 의해 나노 스케일 복합 그래핀 양자점 영역에 형성된 국부적인 전도성 채널의 증거를 제공하였다.
HRTEM 이미지에서 볼 수 있듯이 Au / RGO / Al 구조는 국지적으로 분산 된 복합 RGO 그래핀 양자점 영역이 관찰되었고, ON 상태에서 BIL (Alnative oxide layer) 이 전하수송층 형성에 또 다른 역할을 한다고 추론 할 수 있다. 국부적인 영역에서 불규칙한 스택 구조가 나타나고, 결정화 영역과 무작위 적층 영역의 경계를 명확하게 구분할 수 있었다. 일반적인 GO 박막은 불균일한 두께와 거칠기를 갖기 때문에 특정 영역에서 국부적 인 전기장을 만드는 것은 쉽지 않다.
BIL에서 생성되는 Al 금속 채널 주위에 국부적으로 강한 전기장을 생성하고, 복합 RGO 그래핀 양자점 영역에서 직접적인 전도성 저차원 채널의 국부 형성을 확인하였다. 복합 RGO 그래핀 양자점 구조의 저항성 메모리 설계는 전하 수송에 효과적인 구조로 적용이 가능하고, 산소 및 금속 이온의 이동을 기반으로 하는 저항성 스위칭 메커니즘이 차세대 지능형 반도체 시스템 대한 이해와 응용에 근본적인 대안임을 보여주었다.
D 대 G band 강도의 비율은 산소 이온의 확산에 의한 복합 RGO 그래핀 양자점 영역에 따라 변화하고, 결함이 있는 탄소 원자의 육각형 네트워크가 산소 함유 그룹과 재결합 되었기 때문에 D band 의 상대적인 강도는 감소하였다. 복합 RGO 그래핀 양자점 영역에서 전도 채널이 강한 전기장에 의해 국부적으로 생성됨을 확인하였다.
2(b)에서 전도성 경로의 구조는 전도성 AFM을 사용하여 분석하였다. 상단의 Au 전극을 제거한 후 - 0.9 V의 전압에서 측정 된 고저항 상태 및 저저항 상태에서 상태의 전도성 AFM 이미지는 저저항 상태에서 상대적으로 높은 전류 값이 나타나고, 이는 음의 bias가 상부 전극에 적용될 때 국부 전도 경로가 형성됨을 알 수 있다. 이 전도성 경로는 역방향 바이어스 sweep 후에 사라졌다.
금속 전극은 전기장 하에서 복합 RGO 활성층을 관통하고, 금속이온으로 구성된 전도성 필라멘트를 생성하였다. 온도가 증가함에 따라 고저항 상태 및 저저항 상태에서 저항이 감소하였고, 복합 RGO / 그래핀 양자점의 전도 경로는 금속 이온의 침투로 인한 영향 뿐만 아니라 반도체 거동을 나타내었다. 온도에 따라 그래핀 양자점 및 복합 RGO 에 연결된 산소 기능 그룹이 분리 될 수 있기 때문에 고 저항상태의 저항 변화는 저저항 상태의 저항 변화보다 크게 나타났다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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