초록 ▼

연구의 목적 및 내용
산화물 분자 메모리의 메모리 소자 및 스위칭 소자에 응용 가능할 정도의 안정된 저항 전이 특성을 보이는 두께 1 nm 정도의 산화물 분자층 소재 개발 및 이들을 이용한 10 nm 정도의 크기를 가지는 산화물 분자 메모리 단위 소자 개발과 산화물 분자층에서 발생하는 저항 전이 현상의 메커니즘 규명
연구결과
산화물 분자 메모리의 핵심 building block인 메모리 소자와 스위칭 소자를 두께 수 nm 수준에서 개발하여 저항 전이 특성을 향상시키고 이들을 조합한 소자 구조를 개발하였으며 저항 전이

연구의 목적 및 내용
산화물 분자 메모리의 메모리 소자 및 스위칭 소자에 응용 가능할 정도의 안정된 저항 전이 특성을 보이는 두께 1 nm 정도의 산화물 분자층 소재 개발 및 이들을 이용한 10 nm 정도의 크기를 가지는 산화물 분자 메모리 단위 소자 개발과 산화물 분자층에서 발생하는 저항 전이 현상의 메커니즘 규명
연구결과
산화물 분자 메모리의 핵심 building block인 메모리 소자와 스위칭 소자를 두께 수 nm 수준에서 개발하여 저항 전이 특성을 향상시키고 이들을 조합한 소자 구조를 개발하였으며 저항 전이 메커니즘을 규명하였다.
(1) 메모리 소자용 저항 전이 산화물 나노 소재의 reset current 감소
① 산화물 나노입자를 이용한 reset current 감소, ② 산화물 나노선을 이용한 reset current 감소, ③ 코어-쉘 구조 나노선을 이용한 reset current 감소
(2) 메모리 소자용 저항 전이 산화물 나노 소재의 스위칭 전압 산포 감소
① 외부저항 연결을 이용한 구동전압 안정성 확보, ② 이온빔 처리를 통한 스위칭 전압 산포 감소, ③ 전도성 필라멘트의 개수 조절에 따른 저항 스위칭 특성의 변화, ④ 결함을 가진 그래핀의 선택적 이온 투과성을 이용한 전압 산포 감소, ⑤ NiO 박막 두께 감소에 따른 스위칭 전압 산포 감소
(3) 스위칭 소자용 저항 전이 산화물 나노 소재의 저항 전이 특성 향상
① 스위칭 소자용 NbO_x 다층 박막의 threshold 스위칭 현상 연구, ② 저항 전이 소자에서의 다이오드 특성 제어, ③ 저항 전이 형태의 전압 극성 의존성 연구, ④ Ag/ZnO Schottky 접합을 이용한 스위칭 소자 연구
(4) 저항 전이 현상의 나노 크기에서의 메커니즘 분석
① 수 nm 초박막에서의 저항 변화 메커니즘 분석, ② Ag/ZnO/Pt 박막에서의 ZnO 구조에 따른 저항 변화 현상 규명, ③ 산화물 전극이 저항 변이 현상에 미치는 영향 연구
(5) 나노 크기의 그래핀 기반 저항 변화 메모리 소자 제작을 위한 기초 연구
① 박리법으로 증착한 단층 그래핀에서 도메인 구조 연구, ② 수소화와 산화를 이용하여 단일층 그래핀의 나노 사이즈 리쏘그래피 방법 개발, ③ 그래핀과 SiO₂ 기판 사이에 확산된 물의 특성과 효과 분석
(6) 폭 10 nm급 2R형 메모리 소자 구조 개발
① AAO 형틀을 이용한 BiFeO₃ 나노점 제작 및 물성 분석, ② 서로 다른 조성의 NiO 박막을 이용한 폭 10 nm급 2R형 메모리 소자 구현, ③ 나노크기의　크로스바 배열 소자의 저항변화 현상 원인 규명
연구결과의 활용계획
본 연구에서는 고속/고집적/비휘발성 저항 변화 메모리 소자의 문제점인 높은 구동 전류, 불규칙한 전압 산포를 해결하는 방법을 제시하였다. 뿐만 아니라, 나노 크기에서 나타나는 저항 변화 현상의 메커니즘을 분석함으로써 향후 산화물 분자 메모리 소자를 제작하는데 중요한 지표를 제시하였다. 또한, 새로운 형태의 분자 메모리에 사용될 수 있는 그래핀의 구조적 특성을 분석하고 제어함으로써 그래핀의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 실험적 방법을 확보하여 그래핀 기반의 메모리 소자 구현을 가능하도록 하였다.

Abstract ▼

Purpose& contents
Development of 10 nm sized-oxide molecular memory unit devices using a few nm-thick oxide materials which show stable resistive switching behaviors applicable to memory and switch devices and investigation on mechanism for resistive switching phenomena on the nano scale
Resul

Purpose& contents
Development of 10 nm sized-oxide molecular memory unit devices using a few nm-thick oxide materials which show stable resistive switching behaviors applicable to memory and switch devices and investigation on mechanism for resistive switching phenomena on the nano scale
Result
We have improved resistive switching characteristics by developing a few nm-thick memory and switch devices, which are essential building blocks for oxide molecular memory, Also we have developed device structures consisting of such memory and switch elements and examined resistive switching mechanism.
(1) Reduced reset current of oxide nano-structure for memory devices ① Reduced reset current using oxide nano-particles, ② Reduced reset current using oxide nanowires, ③ Reduced reset current using core-shell oxide nanowires
(2) Reduced switching voltage distribution of oxide nano-structure for memory devices ① Stabilized operation voltages using external load resistor, ② Reduced switching voltage distribution using ion beam treatment, ③ Varied resistive switching behaviors using controlled number of conducting filaments, ④ Reduced switching voltage distribution using selective ion transmission through defective graphene, ⑤ Reduced switching voltage distribution using very thin NiO films (3) Improved resistive switching properties of oxide nano-structure for switch devices ① Investigation on threshold switching behaviors in NbO_x multi-layers for switch devices, ② Controlled diode properties in resistive switching devices, ③ Investigation on the effect of applied voltage polarity on resistive switching, ④ Investigation on switch devices based on Ag/ZnO Schottky junctions (4) Analysis of resistive switching mechanism on the nano scale ① Investigation on resistive switching mechanism in a few nm-thick film, ② Examination of resistive switching characteristics depending on defect states of ZnO in Ag/ZnO/Pt structures, ③ Investigation on the effect of oxide electrodes on resistive switching behaviors (5) Fundamental researches for graphene-based nano-sized resistive switching devices ① Investigation on domain structures in exfoliated monolayer graphene, ② Development of a lithography method on the nano scale through hydrogenation and oxidation using atomic force microscope, ③ Investigation on characteristics and effect of diffused water between graphene and SiO₂ substrate (6) Development of memory structures consisting of two resistors with 10 nm–width ① Investigation on BiFeO₃ nano-particles grown using anodized aluminum oxide templates, ② Realization of memory structures consisting of two NiO resistors with 10 nm-width but different compositions, ③ Investigation on resistive switching mechanism of nano-sized crossbar-array devices
Expected Contribution
In these researches, we have suggested solutions of high operation current and poor set voltage distribution, which are critical problems hindering realization of resistive switching memory devices with fast speed, high density, non-volatility. In addition, analyzing switching mechanism in nano scale system, we have proposed important experimental parameters for development of real devices. Also, as controlling and characterizing structural properties of graphene, we have found new approaches to improvement in electrical properties of graphene and made it possible to realize novel memory devices based on graphene.

목차 Contents

• 도약연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 69
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 71
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 73
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 74
• 8. 참고문헌 ... 74
• 9. 연구성과 ... 75
• 10. 기타사항 ... 106