KR101468521B1 - 멤리스티브 디바이스와 그 제조 방법 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

멤리스티브 디바이스가 본 명세서에 개시된다. 본 디바이스는 제1 전극, 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 활성 영역을 포함한다. 적어도 2개의 모바일 종들이 활성 영역 내에 존재한다. 적어도 2개의 모바일 종들 각각은 멤리스티브 디바이스의 개별 상태 변수를 정의하도록 구성된다.

Description

멤리스티브 디바이스와 그 제조 방법 및 사용 방법{MEMRISTIVE DEVICE AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
본 명세서는 일반적으로 멤리스티브(memristive) 디바이스와, 그 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다. 나노미터 스케일의 교차된-와이어 스위칭(nanometer-scale crossed-wire switching) 디바이스들은 역으로 스위칭될 수 있으며 103에 이르는 ON-OFF 전도도 비(ON-to-OFF conductance ratio)를 갖는다고 이전에 보고되어 있다. 그러한 디바이스들은 크로스바 회로(crossbar circuit)들을 구성하고 초고밀도 비휘발성 메모리(ultra-high density nonvolatile memory) 및 동적/시냅스(dynamic/synaptic) 로직을 갖는 시스템의 생성을 위한 유망한 루트를 제공하는데 사용되었다. (로직 회로들 및 로직과 메모리 사이의 통신을 위한 중요한 컴포넌트인) 래치(latch)는 교차된 와이어 스위치들의 직렬 연결로부터 제조되었다. 스위치들의 크로스바 어레이들로부터 완전히 구성되거나 스위치들 및 트랜지스터들로 구성되는 하이브리드 구조들로서의 새로운 로직 계열들(logic families)이 또한 개시된다. 이러한 새로운 로직 계열들은 CMOS 회로들의 컴퓨팅 효율을 극적으로 증가시키는 잠재력을 갖는다.
본 명세서의 실시예들의 특징 및 이점들은 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조함으로써 명백해질 것이며, 도면의 유사한 참조부호는 동일하거나 아마도 동일하지는 않지만 유사한 컴포넌트들에 대응한다. 간결함을 위하여, 이전에 기술된 기능을 갖는 참조 부호들은 나타나는 다음의 도면들과 함께 기술되거나 기술되지 않을 수 있다.
도 1a는 2개의 상이한 교차된 와이어들을 연결하는 고체 상태의 전기적으로 작동되는 스위치의 일 실시예의 사시도이다.
도 1b는 크로스바로서도 알려진, 도 1a의 스위치들의 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 멤리스티브 디바이스의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 3c는 본 디바이스 및 대응하는 전류-전압 그래프의 일 실시예의 개략적인 도면들이다.
도 4a 및 4b는 임계치 스위칭 이벤트를 진행중인 전도 대역 및 대응하는 전류-전압 그래프들의 개략적인 도면들이다.
도 5a 및 5b는 작동 전후 디바이스의 일 실시예의 활성 영역 내의 불순물 대역(impurity band), 및 이에 의해서 작동 후에 새로운 상태가 생성되는 것을 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 6b는 작동 전후의 디바이스의 다른 실시예의 활성 영역 내의 불순물 대역, 및 이에 의해서 작동 후에 기존의 상태가 패시베이트되는(passivated) 것을 개략적으로 도시한다.
본 명세서에 개시된 디바이스의 실시예들은 2개의 전극들 사이에 위치한 활성 영역이다. 금속 전극들과 반도체 활성화 전극 사이의 접촉 영역들(contact regions)은 전류 캐리어(예컨대, 전자들 또는 정공들)를 위한 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성한다. 적어도 2개의 모바일 이온 종들(mobile ionic species)이 활성 영역으로 도입되고, 그러한 종은 바람직한 인터페이스 특성들(예컨대, 전위/쇼트키 장벽 높이 및/또는 너비) 또는 바람직한 벌크 특성(bulk property)(예컨대, 전도 또는 불순물 대역 전달)을 얻도록 맞춰질 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들에서, 적어도 두 개의 종들(그 중 일부는 이온)은 상이한 이동성, 상이한 농도, 상이한 전하 상태, 반대 전하들, 상이한 화학적 특성들, 상이한 물리적 특성들(예컨대, 활성화 에너지 장벽들) 또는 그들의 조합들을 갖는다. 그러한 것으로서, 종이 전기장 및/또는 상승된 온도 하에서 활성 영역의 전부나 일부를 통해서 드리프트되고/드리프트되거나 확산되는 경우, 디바이스의 상태 변수는 바뀔 것이다. 제조시에 본 명세서에 개시된 디바이스들은 원하는 전기 특성들을 얻도록 맞춰질 수 있다는 것이 이해된다.
일부 실시예들에서, 본 명세서에 개시된 디바이스는 재설정가능(reconfigurable)하며 이것은 가역 프로세스를 통해서 그 상태를 여러 번 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 본 명세서에 개시된 디바이스들은 비휘발성 RAM(random access memory) 내의 메모리 비트들과 같이, 여러 번 열리고 닫힐 수 있다. 다른 실시예들에서, 본 명세서에 개시된 디바이스는 개별적으로 구성가능하며, 이것은 비가역 프로세스를 통해서 그 상태를 한번 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 그러한 스위치는, 예컨대 PROM(programmable read only memory)의 토대가 될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다상태 가변 디바이스들(multi-state variable devices)의 실시예들이 멀티-비트 저장에 적합할 수 있는 다수의 상이한 중간 상태를 보인다는 것은 당연하다.
본 명세서에 개시된 디바이스들은 단일 상태 변수에 의해서 특정된 멤리스터들(memristors)과 비교할 때 더 높은 차원의 공간에 의해서 정의되는 더 많은 자유도를 갖는다. 증가된 차원수는 증가된 상태의 세트를 제공하므로, 디바이스에 예컨대 논리 회로 애플리케이션과 같은 부가적인 능력을 제공한다.
멤리스터에서, 옴의 법칙, 즉 바이어스 전압 V와 전류 I 사이의 관계(V = R*I)는 순수한 저항 대신에 멤리스턴스(memristance) M[q]의 비선형 동적 함수이며, 여기서 q는 멤리스터를 통해서 지나가는 전하이다. 그러한 것으로서,
Figure 112011048009715-pct00001
이다. 멤리스턴스는 디바이스를 통해서 지나가는 전하 q와 바이어스 전압 V에 결합된 자속(φ) 사이의 함수 관계를 제공하며, 여기서 M =
Figure 112011048009715-pct00002
이고,
Figure 112011048009715-pct00003
이다. 시간 t에 걸쳐서 지나가는 전하 q는 일반적으로 멤리스티브 디바이스의 상태 변수로 고려된다. 본 발명자들은 다수의 모바일 종들을 멤리스티브 디바이스에 포함시킴으로써 상이한 상태 변수들 q1, q2...qn이 얻어질 수 있다는 것을 발견했다. 그러한 경우에, 이하의 함수 관계가 실현되며,
Figure 112011048009715-pct00004
이온 종들(1...n)의 매우 다른 이동성이 이와 관련된다.
도 1a 및 1b는 각각 공지된 고체 상태의 전기적 활성화된 스위치(solid-state electrically actuated switch; 100) 및 공지된 크로스바 어레이(1000)를 도시한다. 도 1a에서, 2개의 상이한 교차된 와이어들 또는 전극들(12, 14)은 그들 사이의 스위치 접합(switch junction; 16)을 갖는다. 스위치 접합(16)은 1차 활성 영역(16a) 및 2차 활성 영역(16b)을 포함한다. 일 실시예에서, 1차 활성 영역(16a)은 전자적 반도체성(electronically semiconducting)이고 베이컨시(vacancies) 또는 치환형 불순물(substitutional impurities)로서 전자 도너들로 도핑될 수 있는 약한 이온 전도체(ionic conductor) 양쪽 모두일 수 있는 물질이다. 다른 실시예에서, 1차 활성 영역(16a)의 물질은 명목상 전기적 절연이고 약한 이온 전도체 양쪽 모두이다. 2차 활성 영역(16b)은 도핑 종의 소스 및 싱크로서 행동하는 물질이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 스위치 접합(16)은 또한 공유 결합 또는 비공유 결합된 인터페이스로서 분자층(16c)을 포함하며, 분자층(16c)은 스위칭가능할 수도 있고 스위칭가능하지 않을 수도 있는 분자들을 포함한다. 하나 또는 양쪽 전극들 모두(12, 14)는 금속이거나 반도체 물질일 수 있다. 어떤 경우에는, 양쪽 전극 모두(12, 14)가 금속이다.
크로스바 어레이(1000)는 또한 도 1a에 도시된 복수의 고체 상태의 전기적으로 활성화된 스위치(10)를 포함하여 형성될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 거의 평행인 전극들(12)의 제1 층(18)은 거의 평행인 전극들(14)의 제2 층(20)에 의해 덮인다. 제2 층(20)은 방향이 제1 층(18)의 전극들(12)과 거의 수직이다. 그러나, 층들(18, 20) 사이의 방위각(orientation angle)은 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 전극들(12, 14)의 2개의 층들(18, 20)은 격자, 또는 크로스바를 형성한다. 제2 층(20)의 각 전극(14)은 제1 층(18)의 전극들(12) 모두를 덮고, 2개의 전극들(12, 14) 사이의 가장 가까운 접촉을 나타내는 전극의 교차지점에서 제1 층(18)의 각 전극(12)과 가까이 접촉하게 된다. 스위치 접합(16)은 이 접촉점들에서 전극들(12, 14) 사이에 배치되는 것으로 도시된다. 그러한 3개의 스위치 접합(16)이 도시되는 한편, 스위치 접합(16)은 전극(14)과 전극(12)의 각 교차 지점에서 형성된다는 것이 이해될 것이다. 그러한 크로스바들(1000)은 애플리케이션에 따라서 마이크론(micron)-, 서브마이크론(submicron)- 또는 나노스케일-와이어들로부터 제조될 수 있다.
도면들 내의 개별 전극들(12, 14)이 정사각 또는 직사각형의 단면으로 도시되지만, 전극들(12, 14)은 또한 원형, 타원형, 또는 더 복잡한 단면을 가질 수 있다. 전극들(12, 14)은 또한 다수의 상이한 너비 또는 지름 및 종횡비 또는 이심율을 가질 수 있다.
잘 알려진 바와 같이, 그러한 스위치들(100)은 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 유사한 논리 회로 내의 비트들의 구성을 위한, 크로스 포인트(cross-point) 메모리 내의 닫히거나 열린 스위치로서, 메모리들의 기초(예컨대, 정보의 비트, 1 또는 0의 저장)로서 사용되거나, 또는 와이어드 로직 PLA(wired-logic Programmable Logic Array)의 기초로서 사용될 수 있다. 이러한 스위치들(100)은 또한 다른 다양한 애플리케이션들에서의 용도를 찾는다. 본 명세서에 개시된 디바이스(10(도 2a 및 2b 참조) 및 10'(도 3a 및 3b 참조))의 실시예들은 스위치(100)와 유사하다.
이제 도 2를 참조하면, 멤리스티브 디바이스(10)의 일 실시예가 도시된다. 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 제1 및 제2 전극들(12, 14)과 그 사이의 활성 영역(22)을 포함한다. 디바이스(10)는 수직으로 또는 수평으로 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 예들에서, 디바이스(10)는 수직으로 구성되므로 전극들(12, 14)은 각각 바닥과 상부 전극들이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 디바이스 전극들(12, 14)은 래터럴 디바이스(lateral device) 내의 제1 및 제2 전극들일 수 있다.
비제한적인 예들로서, 바닥 전극(12)은 포토리소그래피(photolithography) 또는 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography)와 같은 종래의 기술들을 사용하거나, 또는 임프린트 리소그래피와 같은 보다 향상된 기술들에 의해서 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 바닥 전극(12)의 두께는 약 5 ㎚로부터 약 30 ㎚의 범위이다. 바닥 전극(12)은 금, 백금, 알루미늄, 은, 텅스텐, 구리 등의 어떠한 적절한 도전성 물질일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 활성 영역(22)은 바닥 전극(12) 상에 확립된다. 활성 영역(22)은 상술한 바와 같이 스위칭 접합(16)과 유사한, 디바이스(10)의 스위칭 접합으로서 기능한다. 본 명세서에 개시된 실시예들에서, 활성 영역(22)은 모바일 종들(24, 26)을 전달하고 호스팅하여 디바이스(10)를 통해서 전자의 흐름을 제어할 수 있다. 디바이스(10) 동작의 기본 모드는 전기장(활성 영역(22) 내의 하나 이상의 종들(24, 26)의 움직임을 가능하게 하기 위한 일부 임계치를 초과할 수 있는 드리프트 필드(drift field)) 및/또는 충분히 큰 상승된 온도를 디바이스(10)에 인가하여 적어도 종들(24, 26)이 더 높은 이동성을 갖고 이온 전달을 통해서 활성 영역(22) 전체에 걸쳐서 비선형으로 전달되도록 하는 것이다.
다른 멤리스티브 디바이스들에서, 단일 모바일 이온 종은 활성 영역(예컨대, 산소의 베이컨시(oxygen vacancies))에서 이용되며, 모바일 종의 이동은 활성 영역의 전기 전도도를 낮은 전도성으로부터(즉, 도핑되지 않은 반도체 또는 절연체 - 스위치-오프 구성) 높은 전도성으로(더 높은 전도성을 제공하도록 도핑됨 - 스위치-온 구성) 또는 높은 전기 전도성으로부터 낮은 전도성으로(스위치-온으로부터 스위치-오프로) 바꾼다. 그러한 갑작스러운 변화는 I-V 곡선에서 잘 알려진 이력 현상(hysteresis)을 보인다. 그러한 디바이스들에서, 이력 현상의 가능한 메커니즘들은 디바이스의 내부 미세구조에서의 갑작스러운 변화, 예컨대 비균질 변화(예컨대, 컨덕팅 채널들의 형성 및 소멸), 또는 접촉 인터페이스에서의 강한 변화와 관련된다. 그러한 변화들은 디바이스의 전기 저항의 변화를 가져오는 디바이스 내부의 단일 모바일 이온 종의 재분배와 관련되기 쉽다. 예를 들면, 간단한 전자의 흐름을 위해서 산소의 베이컨시들은 함께 모이며 상당한 전도성 영역(예컨대, 필라멘트 및 덴드라이트 필라멘터리(dendrite filamentary) 구조)을 형성한다.
본 명세서에 개시된 실시예들에서, 다른 모바일 종을 활성 영역(22)에 추가하는 것은 2개의 모바일 종들(24, 26) 중의 더 가벼운 것의 이동을 위한 단계(즉, 특정한 정전기 포텐셜)를 생성한다. 일반적으로, 2개의 모바일 종들(24, 26)의 이동성들 사이에는 상당한 차이(예컨대, 적어도 대략 한 자릿수)가 있다. 좀더 구체적으로, 이동성의 차이는 덜 이동성인 종이 충분히 강한 필드 내에서 재구성될 수 있지만, 더 이동성인 종에 의해서 제공되는 전하 전달에 참여하지는 않는다는 것이다. 디바이스(10)의 작동시에, 종들(24, 26) 중의 하나 또는 양쪽 모두는 활성 영역(22) 내에서 재조정되며, 특정한 변수 상태가 얻어질 수 있도록 한다. 둘 이상의 상이한 모바일 종들(24, 26)의 특성들(예컨대, 이동성, 농도, 전하, 전하 상태 등)은 얻을 수 있는 상태 변수들을 제어하기 위해서 변경될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 모바일 종들(24, 26)이 이하에 더 설명될 것임이 이해될 것이다.
활성 영역(22)은 전기적으로 반도체성 또는 명목상 전기적 절연인 물질의 박막(예컨대, 500 ㎚ 이하)이고 약한 이온 전도체이다. 약한 이온 전도체의 정의는 디바이스(10)가 설계되는 애플리케이션에 따른다는 것이 이해될 것이다. 격자 내의 종에 대한 이동성 및 확산 상수는 "아인슈타인 관계식"을 통해서 서로에 대해서 바로 비례한다. 그러므로, 격자 내의 종의 이동성이 매우 높은 경우에는, 확산 상수도 그러하다. 일반적으로, 디바이스(10)는 애플리케이션에 따라서 1초의 몇 분의 일에서부터 수년까지의 범위에 있을 수 있는 시간 동안 특정한 상태, 온 또는 오프에 머무르도록 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 그러한 디바이스(10)를 위한 확산 상수는 일 실시예에서 원하는 레벨의 안정성을 보장하기에 충분히 낮아서, 디바이스(10)의 상태를 전압 펄스로 의도적으로 설정하기보다는, 종들(24, 26)의 확산을 통해서 디바이스(10)가 하나의 I-V 체제로부터 다른 체제로 또는 온으로부터 오프로 (또는 반대로) 우연히 바뀌는 것을 피하도록 한다. 따라서, "약한 이온 전도체"는 종 이동성, 및 그에 따른 확산 상수가 원하는 조건 하에서(예컨대, 디바이스(10)는 모바일 종들(24, 26)의 확산으로 인해서 상태를 바꾸지 않는다) 필요한 만큼 오랫동안 디바이스(10)의 온 또는 오프 상태의 안정성을 보장하기에 충분히 작은 것이다.
그러한 것으로서, 활성 영역(22) 물질은 모바일 종들(24, 26)을 활성 영역(22) 안으로 또는 밖으로 드리프트하는 것이 가능하지만, 아주 손쉽지는 않도록 선택된다. 이것은 일반적으로 디바이스(10)가 어떤 상태로든 상당히 오랜 시간 동안 설정되어 유지될 것임을 보장한다. 이것은 또한 디바이스(10)가 비휘발성인(즉, 드리프트 필드가 제거된 후 그 상태가 유지됨) 것에도 기여한다. 어떤 경우, 디바이스(10)는 2단자 디바이스(two-terminal device)이며 - 디바이스(10)에 높은 바이어스를 인가하는 것은 전자 전류 및 이온 전류 양쪽 모두가 흐르도록 유도하는 한편, 낮은 바이어스에서는 이온 전류의 흐름이 무시할 만하며, 디바이스(10)가 그 저항 상태를 유지할 수 있도록 한다.
활성 영역(22)에 대한 적절한 재료들의 비제한적 예들은 실리콘, 전이 금속들, 희토류 금속들, 또는 알칼리 토금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물, 질화물, 인화물, 비소화물, 염화물, 요오드화물, 및 브롬화물을 포함한다. 그러나, 특성들의 원하는 조합 - 모바일 종들(24, 26)이 활성 영역(22) 내로 드리프트됨으로써 주입되고, 그로부터 꺼내고/꺼내거나 이동되게 할 수 있는, 전기적인 반도체성 또는 절연성 및 약한 이온 전도체 - 을 보이는 넒은 범위의 재료들이 있다는 것이 이해될 것이다.
일반적으로, 또한 반도체를 전기적으로 도핑할 수 있는 모바일 종들(24, 26)에 대한 약한 이온 전도체인 임의의 반도체성 물질(활성 영역(22)을 구성함)은 본 명세서에 개시된 실시예들에서 작용할 것이다. 즉, 활성 영역(22)을 위한 가능한 스위치 화합물들은 본딩에 대한 상당한 이온 기여를 갖는 반도체성 화합물이다. 비제한적인 예에서, 활성 영역(22)은 도핑되지 않고 화학량론적인(stoichiometric) 물질이며, 모바일 종들(24, 26)은 높은 농도의 음이온 또는 양이온 베이컨시들이고 동일하거나 관련된 모재(parent material)의 층에 포함된 음이온들이나 양이온들이다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 활성 영역(22)을 위한 물질은 종종 화합물 안에 있는 알칼리 토금속과, 전이 금속 및 희토류 금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물, 질화물, 인화물, 비소화물, 염화물, 요오드화물, 및 브롬화물로부터 선택된다. 또한, 유사한 화합물들 간의 다양한 합금이 있으며, 서로 상호 용해가능한 경우에는 다양한 범위의 구성을 제공한다. 또한 몇 가지 전기음성 원소와 결합된 둘, 셋 이상의 상이한 금속 원자들이 있는 혼합된 화합물이 있다.
Ti, Zr 및 Hf 원소를 포함하는 활성 영역(22)을 위한 물질들은, 3가지 금속 모두의 주요 산화수가 Si과 같이 +4이므로, Si 집적 회로 기술과 호환가능할 수 있기 때문에 특히 매력적이다. 그러한 것으로서, 이러한 원소들은 Si의 의도하지 않은 도핑을 생성하지 않을 것이다. 이러한 화합물들의 산화물들은 또한 각각 티타니아(titania), 지르코니아(zirconia), 및 하프니아(hafnia)이고, 또한 각각의 다양한 폴리타입들(polytypes)에 특정한 다른 이름들로 알려진다. 또 다른 실시예들은 이들 3가지 산화물을 짝을 짓거나 3가지 모두를 동시에 포함하는(예컨대, TixZryHfzO2, 여기서 x+y+z=1) 합금을 포함한다. 관련된 화합물들의 세트들은 특정한 예 SrTiO3로 나타나는 티탄산염(titanates), 지르콘산염(zirconates) 및 하프늄산염(hafnates)을 포함하며, 여기서 Sr은 스트론튬 2가 원소이다. Ca, Ba 및 다른 2가 원소들(예컨대, Mg, Zn, Cd)이 Sr을 대체할 수 있고, Zr 및 Hf이 Ti을 대체할 수 있는 그러한 다양한 화합물들이 있다. 이러한 화합물들은 ABO3 화합물로서 나타날 수 있으며, 여기서 A는 적어도 하나의 2가 원소이며 B는 Ti, Zr 및 Hf 중의 적어도 하나이고, 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가질 수 있다.
또한 CaaSrbBacTixZryHfzO3과 같은 이러한 다양한 화합물들의 합금을 사용하는 것이 가능하며, 여기서 a+b+c=1이고 x+y+z=1이다. 또한 개별적으로 및 더 복잡한 화합물 둘 모두로 사용될 수 있는 상이한 원자가를 갖는 전이 금속 및 희토류 금속의 다양한 다른 산화물들이 있다.
활성 영역(22)에 적합한 화합물들의 또 다른 실시예는 일부 이온 결합 특성을 갖는 전이 금속들의 황화물 및 셀렌화물, 본질적으로 상술한 산화물의 S와 Se의 유사체를 포함한다. 활성 영역(22)에 적합한 화합물들의 또 다른 실시예는 AlN, GaN, ScN, YN, LaN과 같은 반도체성 질화물, 희토류 질화물, 및 이들 화합물 및 더 복잡한 혼합 금속 질화물의 합금을 포함한다. 활성 영역(22)에 적합한 화합물들의 또 다른 실시예는, (CuCl, CuBr, 및 AgCl과 같은) 반도체성 할로겐화물 또는 예컨대, Sc, Y, La 등의 다양한 전이 금속 및 희토류 금속의 인화물 및 비소화물을 포함한다.
활성 영역(22)이 상기 예시들로부터 선택된 상이한 물질들 또는 화합물들의 부계층들(sublayers)을 포함할 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
활성 영역(22)에 적합한 증착 기술들은, 필라멘트 또는 크누센 셀(Knudsen cell)과 같은 열원으로부터의 증착, 도가니로부터의 전자 빔(즉, e-빔), 타겟으로부터의 스퍼터링, 다른 형태의 증착, CVD(chemical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy), 원자층 증착(atomic layer deposition), 또는 다양한 다른 형태의 반응성 전구체들(reactive precursors)로부터의 화학적 증기 또는 빔 형성(beam growth)을 포함하는, 종래의 물리적 화학적 기술들을 포함한다. 속도 및 온도와 같은 적절한 증착 또는 성장 조건들은, 활성 영역(22)에 대해서 바람직한 화학적 구성요소 및 바람직한 로컬 원자 구조를 얻도록 선택될 수 있다.
디바이스 작동(도 2)에 앞서서, 활성 영역(22)은 적어도 2개의 모바일 종들(24, 26)을 포함한다. 이 상태에서, 종들(24, 26)은 일반적으로 공간상 비균일이다. 활성 영역(22)은 전극들(12, 14) 사이에 확립되도록 묘사되는 한편, 모바일 종들(24, 26)은 외부 바이어스 전압 하에서, 종들(24, 26)이 특정한 임계치를 갖거나 갖지 않고 그들의 공간상 분포를 바꿀 수 있도록 제공되는 활성 영역(22)의 전체 부피 또는 단지 특정한 부피(예컨대, 하나의 전극(12, 14)과 활성 영역(22) 내의 전기주조된(electroformed) 채널의 팁 사이) 내에서 활성/모바일일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
모바일 종들(24, 26)은 이온 종(예컨대, 양이온, 음이온, 대전된 베이컨시들) 또는 포획된 전자들 또는 정공들(예컨대, 활성 영역(22)의 깊은 미드-갭 상태(deep mid-gap state)에 포획됨)일 수 있다. 이온 종의 비제한적인 예들은 대전된 산소 베이컨시, 크롬 이온들(Cr2 +), 니켈 이온들, 수소 이온들, 리튬 이온들, 은 이온들, 베릴륨 이온들, 나트륨 이온들, 마그네슘 이온들, 칼륨 이온들, 바륨 이온들 등을 포함한다. 2개의 상이한 이온 종들은 활성 영역(22)으로 통합될 수 있고, 또는 하나의 이온 종은 그 안의 결함-포획된(defect-trapped) 전자들 또는 정공들을 갖는 활성 영역(22)으로 도입될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, 선택된 종들(24, 26)은 활성 영역(22)을 위해서 선택된 물질에, 적어도 부분적으로, 의존할 것이고, 본 명세서에 열거된 것들 이외의 종들(24, 26)이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 2에 도시된 종들(24, 26)은 상이한 이동성을 갖는 반대로 대전된 종들이다.
상술한 바와 같이, 선택된 모바일 종들(24, 26)은 상이한 이동성, 상이한 농도, 상이한 전하 상태, 반대 전하들, 상이한 화학적 특성들, 또는 그들의 조합을 갖는다. 그러한 종들(24, 26)은 활성 영역(22) 전체에 걸쳐서 종들(24, 26) 중의 적어도 하나(어떤 경우에는, 2개의 종들(24, 26) 중의 더 느린 것)의 전달이 비선형인 것으로 선택된다. 그러한 이동은 고유의 상태 변수들이 얻어질 수 있도록 한다. 일부 실시예들에서, 디바이스(10)는 모바일 종들(24, 26) 중의 하나(예컨대, 2개의 이동 종들 중 빠른 것)가 다른 모바일 종들(24, 26)(예컨대, 2개의 이동 종들 중 더 느린 것)의 이동을 위한 단계를 설정할 것인 바이너리 시스템(binary system)이라는 것이 이해될 것이다. 어떤 경우에는, 적어도 2개의 모바일 종들(26, 24) 중의 하나의 이동성은 일반적으로 적어도 2개의 모바일 종들(24, 26) 중의 다른 것의 이동성보다 적어도 약 한 자릿수 정도가 크다. 그러나, 각 종들(24, 26)의 이동성은 디바이스(10)에 적용된 온도 및 필드에, 적어도 부분적으로, 따른다는 것이 이해될 것이다. 이하의 수학식 3에 기술되는 바와 같이, 이동성은 특정한 종들의 호핑 활성화 에너지(hopping activation energy)를 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들면, TiO2 -x에서의 Li 또는 Ti 침입형 결함(interstitial defects)을 위한 활성화 에너지는 약 0.4 eV(일렉트론 볼트)이고, TiO2 -x 내의 산소 베이컨시를 위한 활성화 에너지는 약 1.1 eV이다. 이러한 값들을 이하의 수학식 3에 삽입하는 것은 각 종들의 이동성을 계산할 수 있게 한다. 이 예들에서 활성화 에너지들의 이러한 차이는, 상온에서 Li 또는 Ti 침입형 결함과 비교하면 산소 베이컨시를 위해서는 약 12 자릿수만큼 낮은 이동성으로 해석된다.
비제한적인 일 예에서, Cr2 + 양이온들은 활성 영역(22)의 적어도 일부에 산소 베이컨시로 포함될 수 있다. 미리 결정된 전기장 및/또는 온도에 노출되면, 산소 베이컨시들은 Cr2 + 양이온들에 의해서 생성된 필드로 이동할 것이다. 양이온들의 농도 프로파일(concentration profile)은 산소 베이컨시의 이동을 변경하기 위해서 바뀔 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러한 것으로서, 산소 베이컨시를 포함하는 활성 영역(22) 내의 Cr2 + 양이온을 구성함으로써, 디바이스(10)의 I-V 특성들이 제어될 수 있다. 그 후, 활성 영역(22) 내의 Cr2 + 양이온들의 프로파일은 외부 펄스에 의해서 제어됨으로써, 디바이스(10)가 하나의 I-V 체제로부터 다른 체제로 스위칭될 수 있다. 종들(24, 26)(이 예에서, 산소 베이컨시 및 Cr2 + 양이온들)의 이동성은 상당히 다르기 때문에, Cr2 + 양이온들의 초기 이동 후에, 그러한 양이온들은 산소 베이컨시에 비해서 상당히 안정적일 것이다.
비제한적인 다른 예에서, 2개의 종들(24, 26)은 비슷한 이동성이지만, 상이한 농도, 전하 상태들, 화학적 특성들, 또는 그들의 조합을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 종들(24, 26)의 움직임은 커플링됨으로써, 디바이스(10)에 2개의 커플링된 상태 변수들을 제공할 것이다. 상이한 이동성을 갖는 등전자수 종들(isoelectronic species)(24, 26)의 비제한적인 예들은 Ti4 + 및 Li+, Ti4 + 및 Na+, Ti4 + 및 Ba2 +, Cr2 + 및 Na+, 또는 Be2 + 및 Ba2 +을 포함한다.
비제한적인 또 다른 예에서, 종들(24, 26)은 (도 2에 도시된 바와 같이) 상이한 이동성들을 가지며 반대로 대전된다. 이러한 종들(24, 26)(예컨대, 억셉터들(acceptors) 및 도너들)의 움직임은 전기적 중성 시스템(electrically neutral system)을 바라는 쿨롱 힘에 의해서 강하게 영향을 받을 것이다. 그러한 경우에, 양극성 확산(ambipolar diffusion)은 결과적으로 유효 확산 계수가 2개의 종들(24, 26) 중에 더 느린 것의 확산 계수에 가깝게 되도록 한다. 이 디바이스(10)는 강하게 커플링된 2개의 상태 변수들을 갖도록 특징지어진다. 도 2는 특히, 반대로 대전된 종들(24, 26) 및 외부 전기장 하에서의 움직임의 방향을 도시한다.
또 다른 예에서, 종들(24, 26)은 동일한 전하를 갖지만 상이한 이동성을 가진다. 하나의 상태 변수에서, 종들(24, 26)은 예컨대, 전극들(12, 14) 중의 하나에 인접하게 국한된다. 작동 시에(즉, 상대적으로 짧은 시간 동안 미리 결정된 바이어스 전압에 노출됨), 2개의 종들(24, 26) 중의 더 빠른 것은 전극들(14, 12) 중의 다른 것을 향해서 드리프트함으로써, 디바이스(10)는 제2 상태에 있다. 이러한 특별한 경우에, 전하보다는 농도 프로파일을 사용하여(즉, 디바이스(10) 내의 특정한 종들(24, 26)의 대부분이 있는 위치를 특정함으로써) 모바일 종들(24, 26)과 상태 변수들을 연관하는 것이 적합할 수 있다. 예를 들면, 각 종들(24, 26)이 N24(x, y, z) 및 N26(x, y, z)(x, y, z는 공간 좌표임)의 각 농도 프로파일을 갖는 경우, 각 종들과 연관된 상태는 농도의 중심(centroid)일 수 있으며, 즉,
종 24의 상태 = 벡터(<x>, <y>, <z>)이며, 여기서
Figure 112011048009715-pct00005
종 26의 상태 = 벡터(<x>, <y>, <z>)이며, 여기서
Figure 112011048009715-pct00006
이다. 종(26)의 상태에 있는 경우 이 예의 디바이스(10)를 활성화하기 위해서(즉, 모바일 종(26)을 움직임), 종(24)의 상태는 일부 다른 값이 되게 한다. 다른 경우에, 특정한 위치에서의 (예컨대, 디바이스(10) 내의 (전극(12, 14)과 활성 영역(22) 사이의) 인터페이스 근처) 농도를 사용하여 모바일 종들(24, 26)과 상태 변수를 연관하는 것이 적합할 수 있다.
일반적으로, 활성 영역(22)은 임의의 다른 도펀트 없이 둘 이상의 모바일 종들(24, 26)을 포함한다. 그러나, 어떤 경우에는 모바일 종들(24, 26) 이외에, 활성 영역(22)은 또한 배경 도펀트 프로파일(background dopant profile)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 도펀트 프로파일은 모바일 종들(24, 26)의 역학(dynamics) 및 얻어지는 디바이스(10)의 비선형 전도도의 타입을 제어하는 것을 돕는 것으로 믿어진다. 그러한 배경 도펀트 프로파일은 일반적으로 고정된, 비균일 도펀트이다. 비제한적인 일 예에서, 배경 도펀트 프로파일은 억셉터 도펀트(예컨대, TiO2 활성 영역 내의 탄소 또는 질소 도핑)일 수 있고, 종들(24, 26)은 수소 또는 리튬 음이온들 및 음으로 대전된 산소 베이컨시들(음이온들은 산소 베이컨시보다 더 높은 이동성을 가짐)과 같은 도너 종들이다.
일부 실시예들에서, 배경 도핑은 페르미 준위, 및 그 결과로서의 모바일 종들(24, 26) 중의 하나 또는 양쪽 모두의 전하 상태를 시프팅할 수 있다. 전하 상태는 이온 호핑의 활성화 에너지를 대단히 비선형적인 방식으로 바꿀 수 있다. 예를 들면, TiO2 -x 내의 Ti4 + 및 Ti1 + 침입형 이온들를 위한 호핑 활성화 에너지는 약 0.3 eV만큼 다른 한편, 이동성은 활성화 에너지에 기하급수적으로 비례하며,
Figure 112011048009715-pct00007
이고, 여기서, U = 활성화 에너지, T = 온도, kB = 볼츠만 상수, a = 격자 거리, q = 기본 전하, 및 E = 물질 내의 순수한 전기장이다. 그러한 것으로서, 종들(24, 26) 중의 하나의 이동성은 그 종(24, 26)의 전하 상태를 바꿈으로써 조절될 수 있다. 예를 들면, 산소 베이컨시들은 하나의 깊은 레벨 및 하나의 얕은 레벨로 대전될 수 있다. 확산 활성화 에너지(및 이에 따른 이온 이동성)는 +1로부터 +2 상태로 바뀔 수 있다. 전하 상태는 국부적인 화학적 퍼텐셜에 의존하므로, 다른 모바일 종(26, 24) 및/또는 배경 도펀트의 존재를 통해서 증가되거나 감소될 수 있다.
다른 실시예들에서, 배경 도핑은 국부적인 전력 손실을 바꾸는 결과를 가져올, 활성 영역(22)의 전체 비저항(resistivity)을 바꿈으로써, 자체 가열 효과(self-heating effect)를 국부적으로 감소시키거나 증가시킬 수 있다. 상기 수학식 3에 따라서, 종들(24, 26)의 이동성은 온도에 대한 비선형 의존성을 갖는다. 그러한 것으로서, 자체 가열에서의 변화들은 종들(24, 26)의 이동성에 영향을 줄 수 있다.
사용되는 임의의 배경 도펀트는 증착되거나 그렇지 않으면 활성 영역(22)이 설정됨에 따라서 도입된다.
어떤 경우에, 모바일 종들(24, 26)은 활성 영역(22)의 확립 동안 또는 그 후에 활성 영역(22)으로 도입된다. 다른 경우에, 디바이스(10) 프로그래밍 동안 별개의 영역(도시되지 않음)으로부터 모바일 종들(24, 26)을 도입하는 것이 가능할 수 있다. 별개의 영역으로부터 도입되는 경우에, 그러한 도입은 영역(22)이 전극(12) 상에 확립되기 전 또는 확립된 후에 일어날 수 있다. 이것은 디바이스(10)의 기하학적 구조(예컨대, 활성 영역(22)이 모바일 종들(24, 26)을 포함하는 별개의 영역 아래 또는 위에 있는지)에, 적어도 부분적으로, 따른다. 활성 영역(22)에 모바일 종들(24, 26)을 도입하는데 적합한 기술들의 비제한적인 일부 예들은 다음을 포함한다: ⅰ) (그 확립 동안 또는 확립 후에) 모바일 종들(24, 26) 중의 하나 또는 양쪽 모두를 활성 영역(22)으로 주입하는 것; 또는 ⅱ) (활성 영역(22)의 확립 동안 또는 확립 후에) 가스 소스 또는 전구체로부터 모바일 종들(24, 26)을 확산하는 것; 또는 ⅲ) 확립된 활성 영역(22)에 인접한 영역(도시되지 않음)으로 모바일 종들(24, 26)을 주입한 후 인접한 영역으로부터 모바일 종들(24, 26)을 확산하는 것. 비제한적인 예에서, 활성 영역(22)으로 종들을 확산하는 것은 열에의 노출을 통해서 이뤄질 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 이온 주입은 예컨대, 이온 총을 통해서 실행될 수 있다. 또 다른 비제한적인 예에서, 가스 소스 또는 전구체가 사용되는 경우, 가스는 활성 영역 물질에 영향을 주기 전에 이온화될 수 있다.
일단 활성 영역(22) 및 모바일 종들(24, 26)이 확립되면, 상부 전극(14)이 활성 영역(22) 상에 확립된다. 상부 전극(14)은 바닥 전극(12)과 동일하거나 상이한 물질일 수 있으며, 바닥 전극(12)을 확립하는데 사용되는 것과 동일하거나 상이한 기술을 통해서 확립될 수 있다. 일 예에서, 상부 전극(14)은 전자 빔 증착기(electron beam evaporator)로 증착된다. 또한 상부 전극의 두께는 일반적으로 약 5 나노미터로부터 수백 나노미터에 이르는 범위이다.
전술한 바와 같이, 디바이스(10)는 미리 결정된 전기장 및/또는 상승된 온도에 노출함으로써 작동될 수 있다. 어떤 경우에, 전기장은 온도가 상승되는 경우에 적용된다. 다른 경우엔, 온도는 디바이스(10)를 통해서 전류가 흐른 결과로서 상승한다(예컨대, 자체 가열). 적용된 전기장 및 온도는 선택된 모바일 종들(24, 26), 그들의 농도, 활성 영역(22) 내의 그들의 구성(예컨대, 상태), 및 임의의 배경 프로파일에, 적어도 부분적으로, 의존할 것이다. 그러한 것으로서, 외부 전압 또는 전류는 열거된 하나 이상의 인자들의 관점에서 선택될 것이다. 온도는 또한 국부적인 비저항, 및 그 결과로서 국부적인 자체 가열에 따라 결정될 수 있다. 어떤 경우에는, 외부 소스로부터 열을 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
일단 디바이스(10)가 작동되면, 보다 높은 이동성을 갖는 모바일 종들(24, 26)은 더 낮은 이동성을 갖는 모바일 종들(26, 24)보다 빨리 활성 영역(22) 내에서 (전기장으로 인해서) 드리프트하고/드리프트하거나 (상승된 온도로 인해서) 확산될 것이다. 그러한 움직임은 디바이스(10)의 상태 변수를 바꿀 것이다. 다른 특성들(예컨대, 농도, 전하 및/또는 전하 상태, 화학적 특성 등)은 또한 얻어지는 상태 변수를 정의할 것이라고 이해된다.
일반적으로 종들(24, 26)의 전달은 전기장 또는 온도 또는 전하 상태와 비선형적인 것이 바람직하다. 종들(24, 26) 중의 적어도 하나의 이동은 디바이스(10)가 미리 결정된 전기장에 노출되는 경우에 시작된다. 전기장은 예를 들면,
Figure 112011048009715-pct00008
인 경우에, 비선형 전달을 유발하기에 충분할 수 있다는 것이 이해되며, 여기서 T = 온도, kB = 볼츠만 상수, a = 격자 거리, q = 기본 전하, 및 E = 물질 내의 전기장이다. 어떤 경우에, 종들(24, 26)의 비선형 이동은 새로운 상태들을 도입하거나(예컨대, 이하의 도 5a 및 5b 참조) 기존 상태들을 패시베이트함으로써(예컨대, 이하의 도 6a 및 6b 참조) 디바이스(10)의 벌크 특성들에 영향을 준다. 다른 경우에, 종들(24, 26)의 비선형 이동은 인터페이스 특성들(또한 이하에서 더 논의됨)에 영향을 준다.
도 3a는 디바이스(10), 및 디바이스(10)의 대응하는 전압(V) 대 전류(I) 그래프의 비제한적인 예를 도시한다. 본 명세서에 개시된 모든 실시예들에서, I-V는 2개의 종들(24, 26) 중의 더 느린 것의 위치에 따라 결정된다는 것이 이해된다.
도 3a에 도시된 실시예에서, 각 종들(24, 26)은 N24(x, y, z) 및 N26(x, y, z)(여기서 x, y, z는 공간 좌표임)의 각 농도 프로파일을 가질 수 있으며, 각 종들(24, 26)과 연관된 상태는 농도의 중심일 수 있다. 종들(24, 26)의 농도 프로파일들은 또한, 비교적 일정한 값이 존재하며, 하나의 상태 변수인 특정한 위치에서 제로로 급격히 떨어지는, 계단 함수일 수 있다. 이 실시예에서, 바이어스 전압의 적용은 상태 변수의 위치를 바꿀 것이다.
어떤 경우에, "작은" 전압 또는 전류가 인가되는 경우, 전압 또는 전류는 주어진 초기 또는 평형 상태의 더 빠른 모바일 종들(26, 24)의 농도 프로파일에 비해서 모바일 종들(24, 26) 중의 느린 것의 전달의 비선형 체제를 시작하기에 충분하지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 그러한 작은 전압 또는 전류는 모바일 종들(24, 26) 중의 더 빠른 것을 이동시키기에 충분하다. 빠른 모바일 종들(26, 24) 농도 프로파일에서의 작은 변화들은 느린 종들(24, 26)에 영향을 주지 않을 것이고, 일단 전압 또는 전류가 제거되면, 더 빠른 모바일 종들(26, 24)은 원래의 상태에 머물 것이다. 그러나, 빠른 종들(26, 24)은 활성 영역(22) 전체에 걸쳐서 충분히 멀리 이동되어서 전기장 또는 전류를 증가시키거나 전하 상태를 바꿈으로써, 도 3b에 도시된 바와 같이, 더 느린 종들(24, 26)의 비선형 전달을 유도할 수 있다. 일단 이동되면, 더 느리게 이동하는 모바일 종들(24, 26)은 디바이스(10)가 재작동되지 않는 한 위치를 다시 바꾸지 않을 것이다. 그러한 경우에, 디바이스(10)는 더 빨리 이동하는 모바일 종들(26, 24)을 움직이는데 사용되는 것들보다 작은 바이어스들로 판독될 수 있다(작은 바이어스들 또는 전류들의 비제한적인 예가 도 3a의 I-V 그래프에 도시됨).
도 3c에서, 개략적인 도면은 (종들(24, 26)의 이동 후의) 새로운 상태를 도시하며, I-V 그래프 내의 점선은 새로운 상태에 대한 I-V 곡선을 도시한다.
인가된 전압들 또는 전류들은 선택된 종들(24, 26) 및 활성 영역(22), 형성된 전도 채널의 기하학적 구조, 디바이스(10)의 열적 특성, 전극들(12, 14) 및 활성 영역(22)의 두께, 더 느린 모바일 종들(24, 26)의 임의의 활성화 장벽 또는 그와 유사한 것 또는 그들의 조합들에, 적어도 부분적으로, 따를 것이다. 비제한적인 예들로서, 작은 전압은 전기장이 약 1로부터 약 5 ㎹/㎝를 초과하지 않게 하도록 충분히 낮고, 전류는 디바이스(10) 내부의 줄 열을 유발하지 않게 하도록 충분히 낮다.
종들(24, 26) 중의 더 느린 것의 비선형 이동은 상술한 바와 같이, 2개의 종들(26, 24) 중의 더 빠른 것의 드리프트에 의해서 활성화될 수 있다. 비선형 이동은 또한 전압 또는 전류 임계치 스위칭을 시행함으로써 얻어질 수 있다. 그러한 비선형 이동의 비제한적 예가 도 4a 및 4b에 도시된다. 이 예에서, 전도 대역들(conduction bands; 32)은 임계치 스위칭 이벤트 전(도 4a) 및 후(도 4b)에 도시된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 높은 전기장 또는 전류들은 깊은 트랩 레벨들(deep trap levels; 30)(이하에서 깊은 레벨 결함(deep level defects)으로 지칭함)을 2개의 모바일 종들(26, 24) 중의 더 빠른 것(전자들을 포함하는 비제한적인 예)으로 채움으로써 도달될 수 있다. 도 4b의 그래프에 도시된 바와 같이, 깊은 트랩 레벨들(30)을 채우는 것은 전압 임계치보다 큰 바이어스들에 노출할 때 모바일 종들(24, 26) 중의 느린 것이 나중에 이동되도록 할 수 있는 임계치 스위칭 이벤트를 유발한다.
일 실시예에서, 임계치 스위칭 이벤트는 더 빠른 모바일 종들(26)의 주입 레이트가 디바이스(10) 내부의 이동 레이트보다 큰 경우에 일어난다고 믿어진다. 도 4a는 각각 얕고 깊은 레벨 결함들(28, 30)을 갖는 밴드 다이어그램을 도시한다. 다른 경우에, 에너지 상태의 연속체가 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이 예에서, 더 빠른 종(26)의 이동성(그리고 그에 따른 물질 전도성)은 그 에너지에 따라 결정될 것이다. 외부 전압의 인가시에, 더 빠른 종들(26)은 레이트 R1으로 인터페이스(예컨대, 쇼트키 장벽)를 통해서 전도 대역(32)으로 터널링할 것이다. 물질(22) 내의 평형 페르미 준위가 깊은 트랩들(30)의 에너지에 가까운 경우, 터널링된 더 빠른 종들(26)은 깊은 트랩들(30)로 늦춰지고(relax) 오른쪽 전극(이 도면에 도시되지 않음)을 향해서 레이트 R2로 천천히 이동(호핑)할 것이다. 작은 바이어스들에 대해서, R2>R1이고 전기장은 거의 균일한 한편, 디바이스(10) 전도성은 주입 레이트 R1에 비례한다. 바이어스가 증가하면, 레이트 R1은 레이트 R2보다 커지며, 이것은 모든 깊은 트랩들(30)이 더 빠른 종들(26)로 재빨리 채워질 것이므로(즉, 종들(26)은 그들이 제거될 수 있는 것보다 높은 레이트로 주입됨), 얕은 에너지 준위에 가까운 준-페르미 준위(quasi-Fermi level)로 리프팅될 것이다. 새로운 준-페르미 에너지에서, 더 빠른 종들(26)은 매우 이동적이고, 그 영역의 대응하는 전도도는 매우 높다. 그러므로, 거의 모든 전기장은 장벽을 더 낮게 만들면서 쇼트키 장벽을 통해서 떨어질 것이다.
R1이 R2보다 커지는 포인트에서, 전류의 급속한 증가가 있고(도 4b의 I-V 그래프 참조) 또한 각 전극(12, 14)과 활성 영역(22) 사이의 인터페이스 상의 전기장에서의 급속한 증가(도 4b의 전도 대역 참조)도 있을 것이다. 높은 전류 및 높은 필드 양쪽 모두는 상술한 바와 같이 더 느린 이온 모바일 종들(24)의 이동성을 조정하는데 사용될 수 있다.
하나 이상의 종들(24, 26)의 비선형 이동/움직임은 디바이스(10)의 전기 전도도를 조절한다. 어떤 경우에는, 디바이스(10)의 인터페이스 특성의 조절이 바람직하다. 각 전극들(12, 14)과 활성 영역(22) 사이의 하나 또는 양쪽 인터페이스 모두에서의 저항은 쇼트키 장벽 조절을 통해서 계속적으로 조정될 수 있다. 그러한 경우에, 계면 쌍극자 계층(interfacial dipole layer)(도시되지 않음)은 바닥 전극(12)과 활성 영역(22) 사이 및/또는 상부 전극(14)과 활성 영역(22) 사이의 인터페이스에 위치할 수 있다. 계면 쌍극자 계층은 활성 영역(22)의 벌크의 형상과 비교해서 에너지의 함수로서 상태의 밀도의 상이한 형상을 갖는 인터페이스 갭 및 인터페이스 표면을 포함할 수 있다. 인터페이스 상태들이 존재하는 경우, 그러한 상태들은 상호작용하지 않을(non-interacting) 수도 있고(즉, 활성 영역(22)에 의해서 정의됨), 상호작용할 수 있다(즉, 전극들(12, 14) 및 활성 영역(22)에 의해서 정의됨). 다른 경우에, 인터페이스 갭은 어떠한 인터페이스 상태도 없이 존재할 수 있다. 계면 쌍극자 계층은 일반적으로 장벽 높이가 인가된 전압에 종속하도록 한다.
다른 경우에, 디바이스(10)의 벌크 특성들은 얕은 모바일 종들(24, 26)의 부가를 통해서 임의의 배경 고정된 도핑을 보상함으로써, 또는 불순물 대역을 조절할 수 있는 깊은 레벨 모바일 종들(24, 26)을 포함함으로써 조절될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 얕은 모바일 종들의 얕은 에너지 준위는 전도(또는 원자가전자(valence)) 대역에 가까우며, 즉, 그 에너지 차이가 전도 대역 에지에 대해서 kBT(볼츠만 상수 곱하기 온도)보다 작다. 또한 본 명세서에 사용된 바와 같이, 깊은 레벨 모바일 종들의 깊은 에너지 레벨은 얕은 레벨의 반대이며, 즉 에너지 차이가 kBT보다 크다. 도 5a 및 5b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 깊은 레벨 모바일 종들(24, 26)은 디바이스(10) 작동 후에 불순물 대역 내에 새로운 상태들을 생성할 수 있다. 예를 들면, Ni+, Li+와 같은 금속 이온들은 어떤 경우에 그들이 활성화 물질(22) 내에서 이동함에 따라서 새로운 깊은 전자 에너지 상태들을 도입한다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 깊은 레벨 모바일 종들(24, 26)은 디바이스(10) 작동 이후에 불순물 대역 내의 기존의 상태들을 패시베이트할 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 상당히 이동적인 수소 이온들은 실리콘 내의 댕글링 결합(dangling bonds)을 패시베이트하는 경향이 있다.
도 2에 도시되지 않지만, 전극들(12, 14) 중의 어떤 것이 기판 상에 확립될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 기판이 사용되는 경우, 그것은 이산화 규소(silicon dioxide), 질화 규소(silicon nitride), 산화 마그네슘(magnesium oxide), 스트론튬 티타네이트(strontium titanate), 유리 등의 절연 기판이다.
또한 도 2에는 도시되지 않지만, 접착층은 기판과 그 기판에 인접한 상부 또는 하부 전극들(12, 14) 사이에 확립될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 그러한 접착층은 기판과 그 뒤에 확립된 인접한 전극(12, 14) 사이의 결합을 향상시킨다. 어떤 경우에, 접착층은 특정한 조건에 노출되는 경우 인접한 전극(12, 14)을 통해서 확산하는 활성 영역(22)에 대한 모바일 종들(24, 26) 중의 적어도 하나의 소스일 수 있다. 접착층에 적합한 물질로 믿어지는 비제한적인 예들은, 티타늄, 크롬, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 니오븀, 탄탈, 망간, 바나듐, 지르코늄, 루테늄, 또는 하프늄을 포함한다. 사용되는 경우, 접착층은 예컨대, 스퍼터링, 이-빔 증착, 분자 빔 에피택시, CVD(chemical vapor deposition), 또는 ALD(atomic layer deposition)와 같은 임의의 적절한 기술을 통해서 기판이나 전극(12, 14) 상에 확립될 수 있다. 도 2의 실시예에서 도시된 바와 같이, 접착층은 원하면 생략될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 계층이 단지 모바일 종들(24, 26)의 소스로서만 사용되는 경우, 그러한 계층은 임의의 전극(12, 14)에 인접하게(또는 측면 전극에 인접함, 도시되지 않음) 위치될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
항목 1: 멤리스티브 디바이스(memristive device)로서,
제1 전극,
제2 전극,
상기 제1 및 제2 전극들 사이에 배치된 활성 영역, 및
상기 활성 영역 내에 있는 적어도 2개의 모바일 종들(mobile species) ― 상기 적어도 2개의 모바일 종들 각각은 상기 멤리스티브 디바이스의 개별 상태 변수를 정의함 ―
을 포함하는 멤리스티브 디바이스.
항목 2: 항목 1에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들은 각각이 이온종(ionic species)이거나, 또는 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나는 이온종이고 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나는 모바일 포획된 전자 또는 정공인 멤리스티브 디바이스.
항목 3: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들은 상이한 농도들, 상이한 이동성들, 상이한 전하 상태들, 상반되는 전하들, 상이한 화학적 특성들, 또는 그들의 조합을 갖는 멤리스티브 디바이스.
항목 4: 항목 3에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들은 상이한 이동성들을 가지며, 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나의 이동성은 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나의 이동성보다 적어도 한 자릿수가 큰 멤리스티브 디바이스.
항목 5: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, 상기 활성 영역은 상기 적어도 2개의 모바일 종들의 역학(dynamics)을 제어하는 배경 도핑 프로파일(background doping profile)을 갖는 멤리스티브 디바이스.
항목 6: 항목 5에 있어서, 상기 활성 영역의 상기 배경 도핑 프로파일은 정지 상태(static)인 멤리스티브 디바이스.
항목 7: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들은 각각이 대전된 베이컨시들(charged vacancies), 음이온들, 양이온들, 전자들, 및 정공들로부터 독립적으로 선택되는 멤리스티브 디바이스.
항목 8: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, ⅰ) 상기 제2 전극과 상기 활성 영역 사이의 인터페이스에, ⅱ) 상기 제1 전극과 상기 활성 영역 사이의 인터페이스에, 또는 ⅲ) ⅰ과 ⅱ 양쪽 모두에 위치하는 계면 쌍극자 계층(interfacial dipole layer)을 더 포함하는 멤리스티브 디바이스.
항목 9: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들은 미리 결정된 전기장에 노출되는 경우에 상이한 레이트들로 상기 활성 영역을 통해서 드리프트(drift)하는 멤리스티브 디바이스.
항목 10: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에 있어서, 상기 디바이스는 미리 결정된 전기장 하에서 가역적인(reversible) 멤리스티브 디바이스.
항목 11: 선행하는 항목들 중의 임의의 것에서 정의되는 바와 같은 멤리스티브 디바이스를 사용하는 방법으로서,
활성 영역을 미리 결정된 전기장에 노출함으로써, 적어도 2개의 모바일 종들로 하여금 상이한 레이트들로 상기 활성 영역을 통해서 드리프트하게 하여, 그러한 노출 전의 상기 디바이스의 상태 변수와 상이한 상태 변수를 형성하는 단계
를 포함하는 멤리스티브 디바이스 사용 방법.
항목 12: 항목 11에 있어서, 상기 미리 결정된 전기장은 낮은 전압 및 작은 전류를 가지며, 노출하는 것은 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나로 하여금 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나와 상이한 이동성 레이트로 이동하게 하며,
상기 방법은,
상기 미리 결정된 전기장을 제거함으로써, 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나로 하여금 평형 상태로 다시 이동하게 하는 단계를 더 포함하는 멤리스티브 디바이스 사용 방법.
항목 13: 항목 1 내지 10 중의 임의의 것에서 정의된 바와 같이 멤리스티브 디바이스를 제조하는 방법으로서,
적어도 2개의 모바일 종들을 활성 영역에 도입하는 단계, 및
상기 활성 영역을 전기장 또는 상승된 온도 중의 적어도 하나에 노출함으로써, 상기 적어도 2개의 모바일 종들로 하여금 상이한 레이트들로 상기 활성 영역의 부가적인 부분을 통해서 드리프트하게 하고 상기 멤리스티브 디바이스의 상태 변수를 바꾸는 단계
를 포함하는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
항목 14: 항목 13에 있어서, 상기 적어도 2개의 모바일 종들의 드리프트는 새로운 상태를 도입하거나 기존의 상태를 패시베이트하는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
항목 15: 항목 13 또는 14에 있어서, 노출에 앞서, 상기 방법은,
제1 및 제2 전극들 사이에 상기 활성 영역을 확립하는 단계, 및
상기 활성 영역을 확립하는 것과 동시에 또는 상기 활성 영역을 확립한 후에 상기 적어도 2개의 모바일 종들을 도입하는 단계
를 더 포함하고,
상기 적어도 2개의 모바일 종들을 도입하는 단계는, ⅰ) 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 상기 활성 영역 또는 그에 직접적으로 또는 간접적으로 인접하는 영역에 주입함으로써; 또는 ⅱ) 기체 소스 또는 전구체(precursor)로부터 상기 활성 영역 또는 그에 직접적으로 또는 간접적으로 인접하는 영역으로 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 확산함으로써; 또는 ⅲ) 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 상기 확립된 활성 영역에 인접하는 영역에 주입한 후 상기 인접한 영역으로부터 제1 및 제2 도펀트들 중의 적어도 하나를 확산함으로써 독립적으로 달성되는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
수개의 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 당업자에게는 개시된 실시예들이 수정될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 그러므로, 전술한 설명은 제한하는 것이라기보다는 예시적인 것으로 간주될 것이다.

Claims (15)

  1. 멤리스티브 디바이스(memristive device)로서,
    제1 전극,
    제2 전극,
    상기 제1 및 제2 전극들 사이에 배치된 활성 영역, 및
    상기 활성 영역 내에 있는 적어도 2개의 모바일 종들(mobile species) ― 상기 적어도 2개의 모바일 종들 각각은 상기 멤리스티브 디바이스의 개별 상태 변수를 정의함 ―
    을 포함하는 멤리스티브 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들은 각각이 이온종(ionic species)이거나, 또는 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나는 이온종이고 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나는 모바일 포획된 전자 또는 정공인 멤리스티브 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들은 상이한 농도들, 상이한 이동성들, 상이한 전하 상태들, 상반되는 전하들, 상이한 화학적 특성들, 또는 그들의 조합을 갖는 멤리스티브 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들은 상이한 이동성들을 가지며, 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나의 이동성은 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나의 이동성보다 적어도 한 자릿수가 큰 멤리스티브 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성 영역은 상기 적어도 2개의 모바일 종들의 역학(dynamics)을 제어하는 배경 도핑 프로파일(background doping profile)을 갖는 멤리스티브 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 활성 영역의 상기 배경 도핑 프로파일은 정지 상태(static)인 멤리스티브 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들은 각각이 대전된 베이컨시들(charged vacancies), 음이온들, 양이온들, 전자들, 및 정공들로부터 독립적으로 선택되는 멤리스티브 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    ⅰ) 상기 제2 전극과 상기 활성 영역 사이의 인터페이스에, ⅱ) 상기 제1 전극과 상기 활성 영역 사이의 인터페이스에, 또는 ⅲ) ⅰ과 ⅱ 양쪽 모두에 위치하는 계면 쌍극자 계층(interfacial dipole layer)을 더 포함하는 멤리스티브 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들은 미리 결정된 전기장에 노출되는 경우에 상이한 레이트들로 상기 활성 영역을 통해서 드리프트(drift)하는 멤리스티브 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 디바이스는 미리 결정된 전기장 하에서 가역적인(reversible) 멤리스티브 디바이스.
  11. 제1항의 멤리스티브 디바이스를 사용하는 방법으로서,
    활성 영역을 미리 결정된 전기장에 노출함으로써, 적어도 2개의 모바일 종들로 하여금 상이한 레이트들로 상기 활성 영역을 통해서 드리프트하게 하여, 그러한 노출 전의 상기 디바이스의 상태 변수와 상이한 상태 변수를 형성하는 단계
    를 포함하는 멤리스티브 디바이스 사용 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전기장은 낮은 전압 및 작은 전류를 가지며, 노출하는 것은 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나로 하여금 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 다른 하나와 상이한 이동성 레이트로 이동하게 하며,
    상기 방법은,
    상기 미리 결정된 전기장을 제거함으로써, 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 하나로 하여금 평형 상태로 다시 이동하게 하는 단계를 더 포함하는 멤리스티브 디바이스 사용 방법.
  13. 제1항의 멤리스티브 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    적어도 2개의 모바일 종들을 활성 영역에 도입하는 단계; 및
    상기 활성 영역을 전기장 또는 상승된 온도 중의 적어도 하나에 노출함으로써, 상기 적어도 2개의 모바일 종들로 하여금 상이한 레이트들로 상기 활성 영역의 부가적인 부분을 통해서 드리프트하게 하고 상기 멤리스티브 디바이스의 상태 변수를 바꾸는 단계
    를 포함하는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들의 드리프트는 새로운 상태를 도입하거나 기존의 상태를 패시베이트(passivate)하는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    노출에 앞서, 상기 방법은,
    제1 및 제2 전극들 사이에 상기 활성 영역을 확립하는 단계; 및
    상기 활성 영역을 확립하는 것과 동시에 또는 상기 활성 영역을 확립한 후에 상기 적어도 2개의 모바일 종들을 도입하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 적어도 2개의 모바일 종들을 도입하는 단계는, ⅰ) 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 상기 활성 영역 또는 그에 직접적으로 또는 간접적으로 인접하는 영역에 주입함으로써; 또는 ⅱ) 기체 소스 또는 전구체(precursor)로부터 상기 활성 영역 또는 그에 직접적으로 또는 간접적으로 인접하는 영역으로 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 확산함으로써; 또는 ⅲ) 상기 적어도 2개의 모바일 종들 중의 적어도 하나를 상기 확립된 활성 영역에 인접하는 영역에 주입한 후 상기 인접한 영역으로부터 제1 및 제2 도펀트들 중의 적어도 하나를 확산함으로써 독립적으로 달성되는 멤리스티브 디바이스 제조 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102322131B1 (ko) 2020-05-04 2021-11-05 고려대학교 산학협력단 확률 가변 멤리스티브 인공 시냅스 소자 및 그 제조 방법
KR20210135139A (ko) 2020-05-04 2021-11-12 고려대학교 산학협력단 드롭커넥트 신경망 시스템 및 이를 이용한 학습 방법
US11604971B2 (en) 2018-05-16 2023-03-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Neuromorphic apparatus having 3D stacked synaptic structure and memory device having the same

Families Citing this family (51)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1049450A (ja) * 1996-07-31 1998-02-20 Kyocera Corp 遠隔監視システムの異常時の復旧方式
WO2010087854A1 (en) * 2009-01-30 2010-08-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristive transistor memory
US8575585B2 (en) * 2009-07-13 2013-11-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristive device
US8416609B2 (en) * 2010-02-15 2013-04-09 Micron Technology, Inc. Cross-point memory cells, non-volatile memory arrays, methods of reading a memory cell, methods of programming a memory cell, methods of writing to and reading from a memory cell, and computer systems
US8941171B2 (en) 2010-07-02 2015-01-27 Micron Technology, Inc. Flatband voltage adjustment in a semiconductor device
US8274813B2 (en) * 2010-07-16 2012-09-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristive negative differential resistance device
US8912520B2 (en) * 2010-07-21 2014-12-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Nanoscale switching device
US8385101B2 (en) 2010-07-30 2013-02-26 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memory resistor having plural different active materials
GB2482666B (en) 2010-08-03 2012-06-20 Dna Electronics Ltd Chemical sensor
JP5721839B2 (ja) 2010-09-16 2015-05-20 ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー．Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｌ．Ｐ． ナノスケールスイッチングデバイス
FR2969382B1 (fr) * 2010-12-17 2022-11-18 Centre Nat Rech Scient Élément memristif et mémoire électronique basée sur de tels éléments
US8501621B2 (en) * 2011-01-30 2013-08-06 Microxact, Inc. Method of fabrication of the memristive device
US8331131B2 (en) * 2011-01-31 2012-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Changing a memristor state
CN103097882A (zh) * 2011-09-06 2013-05-08 瓦高希有限公司 化学传感器
US9209196B2 (en) 2011-11-30 2015-12-08 Sharp Kabushiki Kaisha Memory circuit, method of driving the same, nonvolatile storage device using the same, and liquid crystal display device
CN104124961B (zh) * 2012-07-09 2017-01-11 华中科技大学 一种基于忆阻器的逻辑非门电路
CN102811051B (zh) * 2012-07-09 2014-10-29 华中科技大学 一种基于忆阻器的逻辑门电路
JP6007701B2 (ja) * 2012-09-21 2016-10-12 富士通株式会社 抵抗変化型メモリ及びその駆動方法
KR20140042986A (ko) * 2012-09-28 2014-04-08 삼성전자주식회사 단위 셀이 단일 소자로 구성된 메모리 소자 및 그 제조방법
CN102931349A (zh) * 2012-11-10 2013-02-13 清华大学 一种片式忆阻器及其制备方法
CN102931348A (zh) * 2012-11-10 2013-02-13 清华大学 一种引线忆阻器及其制备方法
US9224461B2 (en) * 2012-11-27 2015-12-29 Intel Corporation Low voltage embedded memory having cationic-based conductive oxide element
WO2014108215A1 (en) 2013-01-14 2014-07-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Asymmetrical memristor
KR102074942B1 (ko) * 2013-07-29 2020-02-10 삼성전자 주식회사 비휘발성 메모리 트랜지스터 및 이를 포함하는 소자
EP3084827B1 (en) * 2013-12-18 2021-01-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Non-volatile memory element with thermal-assisted switching control
US10460804B2 (en) 2014-03-14 2019-10-29 Massachusetts Institute Of Technology Voltage-controlled resistive devices
WO2015139033A1 (en) * 2014-03-14 2015-09-17 Massachusetts Institute Of Technology Voltage regulation of device functional properties
TWI560918B (en) * 2014-10-15 2016-12-01 Univ Nat Sun Yat Sen Resistance random access memory
BR112017020042A2 (pt) 2015-04-23 2018-06-05 Halliburton Energy Services Inc dispositivo óptico espectralmente programável e método óptico
CN105552223B (zh) * 2015-12-25 2017-12-01 山东科技大学 一种基于Sr(Ti1‑xMgx)O3‑x的单层纳米薄膜忆阻器的制备方法
CN105576122B (zh) * 2015-12-25 2018-02-06 山东科技大学 一种单层纳米阻变膜忆阻器的制备方法
CN105576121B (zh) * 2015-12-25 2018-02-06 山东科技大学 一种柔性单层纳米薄膜忆阻器的制备方法
US9773204B2 (en) 2015-12-30 2017-09-26 SK Hynix Inc. Neuromorphic device including synapses having carrier traps distributed at multiple energy levels
KR102567925B1 (ko) * 2015-12-30 2023-08-18 에스케이하이닉스 주식회사 다단 캐리어 트랩들을 갖는 시냅스를 포함하는 뉴로모픽 소자
CN105552224B (zh) * 2016-01-21 2018-02-06 山东科技大学 一种基于纳米级单层Bi(1‑x)CaxFeO3‑x/2阻变膜忆阻器的制备方法
CN105591028B (zh) * 2016-01-21 2018-02-06 山东科技大学 一种以ltcc生瓷带为衬底的单层纳米薄膜忆阻器的制备方法
CN105742487B (zh) * 2016-01-21 2018-02-06 山东科技大学 一种双极型纳米薄膜忆阻器的制备方法
CN105720193A (zh) * 2016-02-02 2016-06-29 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 具有可重复的双极阻抗开关特性的ⅲ族氮化物忆阻器
KR102059556B1 (ko) * 2016-03-31 2019-12-26 성균관대학교산학협력단 Pb-free 유무기 복합 페로브스카이트를 이용한 멤리스터
KR20170113453A (ko) * 2016-03-31 2017-10-12 성균관대학교산학협력단 층상 유무기 복합 페로브스카이트를 이용한 멤리스터
CN105680819B (zh) * 2016-04-08 2018-03-06 蒲亦非 容性分忆抗元和感性分忆抗元滤波器
US10153729B2 (en) 2016-04-28 2018-12-11 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Nano-scale oscillator exhibiting chaotic oscillation
US10700638B2 (en) 2016-04-28 2020-06-30 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Spike train generating circuit
CN107039586B (zh) * 2017-03-22 2019-04-02 北京大学 一种支持非易失“与非”逻辑的三端忆阻器及实现方法
JP2019057540A (ja) * 2017-09-19 2019-04-11 東芝メモリ株式会社 記憶素子
CN109449286B (zh) * 2018-10-10 2020-04-24 清华大学 一种相变纳米颗粒镶嵌的氮化物忆阻器及其制备方法
KR102198361B1 (ko) * 2018-12-13 2021-01-04 광운대학교 산학협력단 새로운 2단자 구조의 시냅스 소자
US11404638B2 (en) * 2020-07-28 2022-08-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Multi-doped data storage structure configured to improve resistive memory cell performance
KR102505277B1 (ko) 2020-09-23 2023-03-02 한양대학교 산학협력단 전자 시냅스 소자 및 이의 제조 방법
KR20220169589A (ko) 2021-06-21 2022-12-28 김성현 분리된 전극을 통해 저항 조절 및 저항을 변화 없이 저항값 측정이 가능한 멤리스터 소자
CN113488589B (zh) * 2021-06-28 2023-11-28 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 忆阻器件、忆阻器件制作方法及显示面板

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007008902A2 (en) * 2005-07-11 2007-01-18 Sandisk 3D Llc Nonvolatile memory cell comprising switchable resistor and transistor
US20080001172A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Karg Siegfried F Nonvolatile programmable resistor memory cell
US20080090337A1 (en) * 2006-10-03 2008-04-17 Williams R Stanley Electrically actuated switch
US20080239797A1 (en) * 2007-03-30 2008-10-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Information recording/reproducing device

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002091495A2 (en) 2001-05-07 2002-11-14 Coatue Corporation Molecular memory device
CN100334735C (zh) 2002-04-30 2007-08-29 独立行政法人科学技术振兴机构 固体电解质开关元件及使用其的fpga、存储元件及其制造方法
US20040251988A1 (en) 2003-06-16 2004-12-16 Manish Sharma Adjustable phase change material resistor
US7157732B2 (en) * 2004-07-01 2007-01-02 Spansion Llc Switchable memory diode-a new memory device
DE102004052647B4 (de) 2004-10-29 2009-01-02 Qimonda Ag Methode zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften von Halbleiter-Speicherzellen im Herstellungsverfahren und nichtflüchtige, resistiv schaltende Speicherzelle
JP4848633B2 (ja) 2004-12-14 2011-12-28 ソニー株式会社 記憶素子及び記憶装置
US8502198B2 (en) 2006-04-28 2013-08-06 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Switching device and methods for controlling electron tunneling therein
JPWO2007138646A1 (ja) 2006-05-25 2009-10-01 株式会社日立製作所 不揮発性メモリ素子およびその製造方法ならびに不揮発性メモリ素子を用いた半導体装置
US7382647B1 (en) * 2007-02-27 2008-06-03 International Business Machines Corporation Rectifying element for a crosspoint based memory array architecture
US20080211540A1 (en) * 2007-02-28 2008-09-04 Shinobu Fujita Programmable anti-fuse based on, e.g., zncds memory devices for fpga and other applications
WO2010074685A1 (en) * 2008-12-23 2010-07-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memristive device having a porous dopant diffusion element
WO2010082928A1 (en) * 2009-01-15 2010-07-22 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Silicon-based memristive device
US8493138B2 (en) * 2009-08-26 2013-07-23 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Memcapacitive devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007008902A2 (en) * 2005-07-11 2007-01-18 Sandisk 3D Llc Nonvolatile memory cell comprising switchable resistor and transistor
US20080001172A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Karg Siegfried F Nonvolatile programmable resistor memory cell
US20080090337A1 (en) * 2006-10-03 2008-04-17 Williams R Stanley Electrically actuated switch
US20080239797A1 (en) * 2007-03-30 2008-10-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Information recording/reproducing device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11604971B2 (en) 2018-05-16 2023-03-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Neuromorphic apparatus having 3D stacked synaptic structure and memory device having the same
US11989646B2 (en) 2018-05-16 2024-05-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Neuromorphic apparatus having 3D stacked synaptic structure and memory device having the same
KR102322131B1 (ko) 2020-05-04 2021-11-05 고려대학교 산학협력단 확률 가변 멤리스티브 인공 시냅스 소자 및 그 제조 방법
KR20210135139A (ko) 2020-05-04 2021-11-12 고려대학교 산학협력단 드롭커넥트 신경망 시스템 및 이를 이용한 학습 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012513686A (ja) 2012-06-14
CN102265397A (zh) 2011-11-30
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US8605483B2 (en) 2013-12-10
EP2368268A1 (en) 2011-09-28
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EP2368268A4 (en) 2012-12-26

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