KR101096202B1 - 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 스위칭 장치는, 기판 상의 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하고, GdxSy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, S는 sulfide의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어지는 고체 전해질 층; 및 상기 고체 전해질 층 상의 상부 전극을 포함하고, 상술한 본 발명에 의한 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는, 스위칭 장치의 동작 전압을 증가시켜 온/오프 상태가 안정적이고 온/오프 상태의 제어가 용이하며, 또한, 스위칭 장치의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다.
스위칭 장치, 고체 전해질 층

Description

고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치{SWITCHING DEVICE WITH SOLID ELECTROLYTE LAYER}
본 발명은 스위칭 장치와 그 동작 방법에 관한 것으로, 특히 고체 전해질 층(solid electroyte layer)을 구비하는 스위칭 장치와 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 디램(DRAM)과 플래쉬 메모리(Flash Memory)를 대체할 수 있는 차세대 메모리 장치에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
이러한 차세대 메모리 장치 중 하나는, 인가되는 전압에 따라 저항이 급격히 변화하여 적어도 서로 다른 두 저항 상태 사이를 스위칭(switching)하는 가변 저항 물질을 갖는 저항성 메모리 장치이다. 저항성 메모리 소자에서는 가변 저항 물질의 저항 변화를 이용하여 서로 다른 데이터(예컨대, 비트 데이터 '0' 또는 '1')를 저장한다. 이때, 가변 저항 물질로는 주로 전이 금속 산화물이 사용되어 왔다.
한편, 저항성 메모리 장치와 동일한 구조에서 전이 금속 산화물 대신 고체 전해질 물질이 개재되는 경우를 살펴본다. 이 경우 전이 금속 산화물을 이용하는 경우와 스위칭 메카니즘(mechanism)은 상이하나, 고체 전해질 물질을 이용하는 경우의 장치 역시 인가되는 전압에 따라 서로 다른 저항 상태 사이를 스위칭하는 특성을 가지므로, 이 특성을 이용하여 서로 다른 데이터를 저장할 수 있으며 이러한 측면에서 광의의 저항성 메모리 장치에 포함된다고 볼 수 있다. 이하, 도1을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
도1은 종래 기술에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치 및 그 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도1을 참조하면, 종래의 스위칭 장치는, 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)과 그 사이에 개재되는 고체 전해질 층(12)을 포함한다.
여기서, 하부 전극(11)에 음전압을 인가하고 상부 전극(13)에 양전압을 인가하면, 상부 전극(13)으로부터 금속 이온이 고체 전해질 층(12)을 통하여 하부 전극(11)으로 이동하면서 환원되어, 고체 전해질 층(12)에 금속 필라멘트(metal filament)와 같은 전도성 경로(conductive path)가 생성된다. 이에 따라, 고체 전해질 층(12)의 저항이 낮은 상태 즉, 온(On) 상태가 된다.
이어서, 하부 전극(11)에 양전압을 인가하고 상부 전극(13)에 음전압을 인가하면, 고체 전해질 층(12)의 금속 필라멘트가 산화되어 금속 이온이 상부 전극(13)으로 이동하면서 상기 전도성 경로가 사라진다. 이에 따라, 고체 전해질 층(12)의 저항이 높은 상태 즉, 오프(Off) 상태가 된다.
상기 저항이 낮은 상태와 상기 저항이 높은 상태를 각각 비트데이터 "1" 또 는 "0"으로 정의함으로써, 고체 전해질 층(12)에 2비트 데이터를 기록할 수 있다. 즉, 상기 스위칭 장치는 메모리 장치를 구성할 수 있는 것이다.
그러나, 이와 같은 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는 다음과 같은 문제점을 갖는다.
우선, 고체 전해질 물질로 현재까지 널리 알려지고 이용되는 것은, GexSey(여기서, Ge는 germanium의 원소 기호, Se는 selenide의 원소 기호, x 및 y는 양수임), GexSy(여기서, S는 sulfide의 원소 기호, x 및 y는 양수임) 등이다. 그러나, GexSey, GexSy와 같은 고체 전해질 물질은 용해도(solubiity)가 너무 크기 때문에, 이를 이용하는 스위칭 장치는 온도에 민감하고 동작 전압이 낮게 된다. 이와 같이 상기 스위칭 장치가 온도에 민감한 경우, 온도가 높아질수록 고체 전해질 물질 내의 이온 움직임이 빨라지므로 온/오프 상태가 불안정하여지는 문제점이 초래될 수 있다. 또한, 상기 스위칭 장치의 동작 전압이 너무 낮은 경우 스위칭 장치의 온/오프 상태의 제어가 어려워진다.
또한, 스위칭 동작이 금속 이온의 산화-환원을 이용하여 수행되기 때문에, 스위칭 속도가 상대적으로 느린 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스위칭 장치의 동작 전압을 증가시켜 온/오프 상태가 안정적이고 온/오프 상태의 제어가 용이하며, 또한, 스위칭 장치의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있는 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는, 기판 상의 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하고, GdxSy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, S는 sulfide의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어지는 고체 전해질 층; 및 상기 고체 전해질 층 상의 상부 전극을 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는, 기판 상의 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치하고, 제2 고체 전해질 층에 비하여 얇은 두께를 갖는 제1 고체 전해질 층; 상기 제1 고체 전해질 층 상의 상기 제2 고체 전해질 층; 및 상기 제2 고체 전해질 층 상의 상부 전극을 포함한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는, 기판 상의 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 위치 하고, GdxOy로 이루어지는 제1 고체 전해질 층; 상기 제1 고체 전해질 층 상의 제2 고체 전해질 층; 및 상기 제2 고체 전해질 층 상의 상부 전극을 포함한다.
상술한 본 발명에 의한 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치는, 스위칭 장치의 동작 전압을 증가시켜 온/오프 상태가 안정적이고 온/오프 상태의 제어가 용이하며, 또한, 스위칭 장치의 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치는, 소정의 하부 구조물이 형성된 기판(20), 기판(20) 상의 하부 전극(21), 하부 전극(21) 상의 고체 전해질 층(22), 및 고체 전해질 층(22) 상의 상부 전극(23)을 포함하되, 특히, 상기 고체 전해질 층(22)은 GdxSy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, S는 sulfide의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어진다. 이와 같이 고체 전해질 층(22)으로 GdxSy를 이용하는 것은 종래의 GexSey 또는 GexSy에 비하여 확산 계수가 작아서 금속 이온의 이동 속도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 이에 대하여는 해당 부분에서 좀더 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 하부 전극(21)은 일반적인 전극 물질 예컨대, Pt, Au, Al, Ag 또는 W 중 선택되는 금속 물질로 이루어질 수 있다.
상부 전극(23)은 고체 전해질 층(22)으로 금속 이온을 확산시키는 확산 금속 예컨대, Cu, Ag 또는 Zn 중 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 GdxSy로 이루어지는 고체 전해질 층(22)에는 금속 특히, 상기 상부 전극(23)을 이루는 확산 금속과 동일한 금속(예컨대, Cu)이 도핑되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치의 동작 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 하부 전극(21)에 음전압을 인가하고 상부 전극(23)에 양전압을 인가하면, 상부 전극(23)으로부터 소정 금속 이온(예컨대, Cu+ 이온)이 고체 전해질 층(22)을 통하여 하부 전극(21)으로 이동하면서 환원되어, 고체 전해질 층(22)에 금속(예컨대, Cu) 필라멘트의 전도성 경로가 생성된다. 이에 따라, 고체 전해질 층(22)의 저항이 낮은 상태 즉, 온 상태가 된다.
이어서, 하부 전극(21)에 양전압을 인가하고 상부 전극(23)에 음전압을 인가하면, 고체 전해질 층(22)의 상기 금속 필라멘트가 산화되어 상기 금속 이온이 상 부 전극(23)으로 이동하면서 상기 전도성 경로가 사라진다. 이에 따라, 고체 전해질 층(22)의 저항이 높은 상태 즉, 오프 상태가 된다.
전술한 바와 같이, 고체 전해질 층(22)으로 확산 계수가 작은 GdxSy를 이용하기 때문에, 상기 금속 이온의 이동 속도가 감소된다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위칭 장치의 동작 전압이 종래에 비하여 증가하므로, 스위칭 장치의 온/오프 상태가 안정적이고 그 제어가 용이하다.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 장치는, 소정의 하부 구조물이 형성된 기판(30), 기판(30) 상의 하부 전극(31), 하부 전극(31) 상의 제1 고체 전해질 층(32), 제1 고체 전해질 층(32) 상의 제2 고체 전해질 층(33), 및 제2 고체 전해질 층(33) 상의 상부 전극(34)을 포함하되, 특히, 상기 제1 고체 전해질 층(32)은 매우 얇은 두께(바람직하게는, 10nm 이하)로 형성되거나 또는 GdxOy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, O는 oxygen의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어진다. 이와 같이, 제1 고체 전해질 층(32)을 매우 얇은 두께로 형성하거나 GdxOy로 형성하는 것은 전도성 경로가 생성되는 위치를 한정하고 전도성 경로의 소멸을 용이하게 하여 스위칭 장치의 스위칭 속도를 증가시키기 위한 것으로서, 이에 대하여는 해당 부분에서 좀더 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 하부 전극(31)은 일반적인 전극 물질 예컨대, Pt, Au, Al, Ag 또는 W 중 선택되는 금속 물질로 이루어질 수 있다.
상부 전극(34)은 제1 및 제2 고체 전해질 층(32, 33)으로 금속 이온을 확산시키는 확산 금속 예컨대, Cu, Ag 또는 Zn 중 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
제2 고체 전해질층(33)은 GexSey 또는 GexSy로도 이루어질 수 있으나, 바람직하게는 GdxSy로 이루어짐으로써 금속 이온의 이동 속도를 감소시킬 수 있다. 이러한 제2 고체 전해질 층(33)에는 금속 특히, 상기 상부 전극(34)을 이루는 확산 금속과 동일한 금속(예컨대, Cu)이 도핑되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 장치의 동작 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 하부 전극(31)에 음전압을 인가하고 상부 전극(34)에 양전압을 인가하면, 상부 전극(34)으로부터 소정 금속 이온(예컨대, Cu+ 이온)이 제2 고체 전해질 층(33) 및 제1 고체 전해질 층(32)을 통하여 하부 전극(31)으로 이동하면서 환원되어, 제2 고체 전해질 층(33) 및 제1 고체 전해질 층(32)에 금속(예컨대, Cu) 필라멘트의 전도성 경로가 생성된다. 그에 따라, 제1 및 제2 고체 전해질 층(32,33)의 저항이 낮은 상태 즉, 온 상태가 된다.
이어서, 하부 전극(31)에 양전압을 인가하고 상부 전극(34)에 음전압을 인가하면, 제1 및 제2 고체 전해질 층(32,33)의 상기 금속 필라멘트가 산화되어 상기 금속 이온이 상부 전극(34)으로 이동하면서 상기 전도성 경로가 사라진다. 그에 따라, 제1 및 제2 고체 전해질 층(32,33)의 저항이 높은 상태 즉, 오프 상태가 된다.
이때, 제1 고체 전해질 층(32)의 두께가 10nm 이하로 매우 얇거나 또는 GdxOy로 이루어지는 경우, 상기 금속 이온이 제1 고체 전해질 층(32)을 관통하는 과정에서, 관통하는 부분의 제1 고체 전해질 층(32)이 손상되기 쉽다. 이와 같이 일단 제1 고체 전해질 층(32)의 일부가 손상되면, 그 후, 온/오프 상태 사이를 스위칭 하는 과정에서 발생하는 전도성 경로의 생성 또는 소멸이 제1 고체 전해질 층(32)의 손상 부분에서 빠르게 이루어진다.
게다가, 전도성 경로를 소멸시키는 경우, 제1 고체 전해질 층(32)의 금속 필라멘트만 끊어지더라도 전도성 경로가 소멸되기 때문에, 스위칭 속도가 더욱 향상될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 스위칭 장치의 스위칭 속도가 종래에 비하여 증가하는 장점이 있다. 게다가, 제2 고체 전해질 층(33)으로 확산 계수가 작은 GdxSy를 이용하는 경우, 스위칭 속도가 증가함에 더하여, 동작 전압의 증가에 따라 스위칭 장치의 온/오프 상태가 안정적이고 그 제어가 용이한 장점이 있음은 전술한 바와 같다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예들에 따라 구체적으로 기록되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상 의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 도면에는 도시되지 않았으나, 하부 전극 또는 상부 전극의 형상은 변형이 가능하다. 특히, 하부 전극 및 상부 전극 중 적어도 어느 하나는 플러그 형(plug type)일 수 있다. 게다가, 하부 전극 또는 상부 전극 중 적어도 어느 하나는 나노 와이어(nanowire) 또는 나노 튜브(nanotube)일 수 있다.
도1은 종래 기술에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치 및 그 동작 방법을 설명하기 위한 도면.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치를 설명하기 위한 도면.
도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치를 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 기판 31 : 하부 전극
32 : 제1 고체 전해질 층 33 : 제2 고체 전해질 층
34 : 상부 전극

Claims (23)

  1. 기판 상의 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하고, GdxSy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, S는 sulfide의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어지는 고체 전해질 층; 및
    상기 고체 전해질 층 상의 상부 전극
    을 포함하는 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 확산 금속으로 이루어지는
    스위칭 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 확산 금속은, Cu, Ag 또는 Zn 중 어느 하나로 이루어지는
    스위칭 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고체 전해질 층은, 상기 확산 금속과 동일한 금속으로 도핑된
    스위칭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 인가되는 전압에 따라, 상기 고체 전해질 층에 전도성 경로가 생성되거나 또는 상기 고체 전해질 층의 전도성 경로가 소멸되어 온 상태 또는 오프 상태 사이에서 스위칭되는
    스위칭 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는, 메모리 셀을 구성하는
    스위칭 장치.
  7. 기판 상의 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하고, 제2 고체 전해질 층에 비하여 얇은 두께를 갖는 제1 고체 전해질 층;
    상기 제1 고체 전해질 층 상의 상기 제2 고체 전해질 층; 및
    상기 제2 고체 전해질 층 상의 상부 전극
    을 포함하고,
    상기 제2 고체 전해질 층은, GdxSy로 이루어지는
    스위칭 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 고체 전해질 층은, 10nm 이하의 두께를 갖는
    스위칭 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 고체 전해질 층은, GdxOy(여기서, Gd는 gadolinium의 원소 기호, O는 oxygen의 원소 기호, x 및 y는 양수)로 이루어지는
    스위칭 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 확산 금속으로 이루어지는
    스위칭 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 확산 금속은, Cu, Ag 또는 Zn 중 어느 하나로 이루어지는
    스위칭 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 고체 전해질 층은, 상기 확산 금속과 동일한 금속으로 도핑된
    스위칭 장치.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 인가되는 전압에 따라, 상기 제1 및 제2 고체 전해질 층에 전도성 경로가 생성되거나, 또는, 적어도 상기 제1 고체 전해질 층의 전도성 경로가 소멸되어 온 상태 또는 오프 상태 사이에서 스위칭되는
    스위칭 장치.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는, 메모리 셀을 구성하는
    스위칭 장치.
  17. 기판 상의 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 위치하고, GdxOy로 이루어지는 제1 고체 전해질 층;
    상기 제1 고체 전해질 층 상에 위치하고, GdxSy로 이루어지는 제2 고체 전해질 층; 및
    상기 제2 고체 전해질 층 상의 상부 전극
    을 포함하는 고체 전해질 층을 구비하는 스위칭 장치.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 상부 전극은, 확산 금속으로 이루어지는
    스위칭 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 확산 금속은, Cu, Ag 또는 Zn 중 어느 하나로 이루어지는
    스위칭 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제2 고체 전해질 층은, 상기 확산 금속과 동일한 금속으로 도핑된
    스위칭 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 사이에 인가되는 전압에 따라, 상기 제1 및 제2 고체 전해질 층에 전도성 경로가 생성되거나, 또는, 적어도 상기 제1 고체 전해질 층의 전도성 경로가 소멸되어 온 상태 또는 오프 상태 사이에서 스위칭되는
    스위칭 장치.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는, 메모리 셀을 구성하는
    스위칭 장치.
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