KR101584838B1 - 상이한 스위칭 임계값을 갖는 진성 다이오드에 의한 스위칭 가능한 접합 - Google Patents
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Abstract
상이한 스위칭 임계값을 갖는 진성 다이오드를 갖는 스위칭 가능 접합체(600)이 개시된다. 스위칭 가능 접합체은 제 1 전도성 재료로 구성된 제 1 전극(610)과 제 2 전도성 재료로 구성된 제 2 전극(630)을 포함한다. 접합(600)은 제 1 스위칭 임계값을 갖는 제 1 정류 다이오드 인터페이스(626) 및 제 2 스위칭 임계값을 갖는 제 2 정류 다이오드 인터페이스(628)를 형성하기 위해 제 1 전극 및 제 2 전극을 갖는 제 1 전기적 인터페이스 및 제 2 전기적 인터페이스를 형성하도록 구성된 멤리스티브 매트릭스(615)를 더 포함한다.
Description
본 발명은 상이한 스위칭 임계값을 갖는 진성 다이오드에 의한 스위칭 가능 접합체에 관한 것이다.
나노 크기 전자 기술은 상당히 감소된 피쳐 사이즈(features sizes), 자가 조립에 대한 가능성 및 상대적으로 비싸지않은 다른 비 포토리소그래피 기반 제조 방법에 대한 가능성을 포함하는 다수의 이점들을 보장한다. 나노와이어 크로스바 배열(Nanowire crossbar arrays)은 초고밀도 비휘발성 메모리를 포함하는 다양한 전자 회로 및 디바이스를 형성하는데 사용될 수 있다. 접합 소자들은 두 나노와이어들이 서로 중첩하는 교차점에서 나노와이어 사이에 끼워질 수 있다. 이 접합 소자들은 둘 이상의 전도 상태들을 유지하도록 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 접합 소자들은 제 1 저(low)저항 상태 및 제 2 고(higher)저항 상태를 가질 수 있다. 나노와이어 배열 내에서 접합 소자들의 상태를 선택적으로 설정함으로써 데이터가 이 접합 소자들로 인코딩될 수 있다. 접합 소자들의 견고성 및 안정성을 증가시키는 것은 상당한 작동 및 제조 이점들을 산출할 수 있다.
본 발명의 기능들 및 이점들은 예시의 방식으로 본 발명의 기능들을 함께 도시한 첨부 도면들과 취해져서, 다음의 자세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
도 1은 나노와이어 크로스바 구조의 일 예시적인 실시예의 투시도이다.
도 2는 본원에서 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 접합 소자들을 포함하는 나노와이어 크로스바 구조의 등측도이다.
도 3a와 도 3b는 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 크로스바 메모리 배열의 일부분을 거치는 전류 경로를 도시하는 예시적인 도면이다.
도 4는 본원에서 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 유사한 전극 재료를 갖는 예시적인 스위칭 가능 접합체 소자의 도면이다.
도 5a와 5b는 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 상이한 종류의 전극 재료를 갖는 예시적인 스위칭 가능 접합체 소자의 다양한 동작 상태의 도면이다.
도 6은 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 스위칭 가능한 접합 소자의 예시적인 실시예의 도면이다.
이제 도시된 예시적인 실시예에 대한 참조가 이루어질 것이고 예시적인 실시예를 설명하기 위해 특정 표현이 본원에서 사용될 것이다. 그러나 그렇게 함으로써 본 발명의 범위의 제한이 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 나노와이어 크로스바 구조의 일 예시적인 실시예의 투시도이다.
도 2는 본원에서 설명된 원리들의 일 실시예에 따라, 접합 소자들을 포함하는 나노와이어 크로스바 구조의 등측도이다.
도 3a와 도 3b는 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 크로스바 메모리 배열의 일부분을 거치는 전류 경로를 도시하는 예시적인 도면이다.
도 4는 본원에서 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 유사한 전극 재료를 갖는 예시적인 스위칭 가능 접합체 소자의 도면이다.
도 5a와 5b는 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 상이한 종류의 전극 재료를 갖는 예시적인 스위칭 가능 접합체 소자의 다양한 동작 상태의 도면이다.
도 6은 본원에 설명된 원리의 일 실시예에 따라, 스위칭 가능한 접합 소자의 예시적인 실시예의 도면이다.
이제 도시된 예시적인 실시예에 대한 참조가 이루어질 것이고 예시적인 실시예를 설명하기 위해 특정 표현이 본원에서 사용될 것이다. 그러나 그렇게 함으로써 본 발명의 범위의 제한이 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
나노 크기 전자 기술은 상당히 감소된 피쳐 사이즈(features sizes), 자가 조립에 대한 가능성 및 상대적으로 비싸지않은 다른 비 포토리소그래피 기반 제조 방법에 대한 가능성을 포함하는 다수의 이점들을 보장한다. 나노 크기 디바이스의 일 유형은 크로스바 구조이다. 나노미터 크기 크로스와이어 디바이스에서의 스위칭에 대한 연구들은 이 디바이스들이 가역적으로(reversively) 스위칭될 수 있고 ~103의 "온 투 오프(on-to-off)" 저항비를 가질 수 있다는 것을 이전에 발표하였다. 이 디바이스들은 크로스바 회로들을 구성하고 초고밀도 비휘발성 메모리의 생성을 위한 루트를 제공하는데 사용되어진다. 또한, 크로스바 구조의 다양성은 다른 통신 및 논리 회로망의 생성에 적합하다. 예를 들어, 논리 계열(logic families)은 스위치들의 크로스바 배열 또는 스위치 및 트랜지스터로 구성된 하이브리드 구조로부터 전체적으로 구성될 수 있다. 이 디바이스들은 CMOS 회로의 컴퓨팅 효율을 증가시킬 수 있다. 이 크로스바 회로들은 일부 환경에서 CMOS 회로들을 대체할 수 있고 트랜지스터들을 더 축소하지 않아도 몇 자릿수의 크기의 향상을 가능하게 한다.
나노 크기 전자 디바이스들의 설계 및 제조는 다수의 도전들을 나타내는데 이는 나노 크기 전자 디바이스의 상업적 생산을 증가시키고 이 디바이스들을 마이크로 크기 또는 그 이상의 크기의 시스템, 디바이스 및 제품들에 포함시키기 위해 다루어진다.
하기에서, 설명을 목적으로, 본 시스템 및 방법들의 전반적인 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세들이 제시된다. 하지만, 이 특정 상세들이 없이 본 장치, 시스템, 및 방법들이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다.
본 명세서에서 "실시예", "예시" 또는 유사한 표현에 대한 참조는, 적어도 일 실시예에서 포함되지만 다른 실시예에서 반드시 포함되지는 않는, 실시예 또는 예시와 함께 설명된 특정 기능, 구조, 또는 특성을 의미한다. 본 명세서에서 다양한 위치에서의 "일 실시예에서"라는 표현 또는 유사한 표현들의 다양한 경우들이 반드시 모두가 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 전기 전류의 흐름에 대한 종래의 기호가 사용된다. 특히, 양전하("정공(hole)")의 흐름의 방향은 전력 소스의 양(positive)의 측으로부터 전력 소스의 좀더 음(negative)의 측으로 향한다.
도 1은 예시적인 나노와이어 크로스바 배열(100)의 등측도이다. 크로스바 배열(100)은 거의 평행인 나노와이어들의 제 1 레이어(108)와 이에 중첩되는 거의 평행인 나노와이어들의 제 2 레이어(106)로 구성된다. 제 2 레이어(106)의 나노와이어들은, 지향에 있어서, 제 1 레이어(108)의 나노와이어들에 대략 수직이지만 레이어간 지향 각도는 변할 수 있다.
나노와이어들의 두 레이어들은 격자 또는 크로스바를 형성하고, 제 2 레이어의(106) 각 나노와이어는 제 1 레이어(108)의 모든 나노와이어의 위에 가로놓이고 나노와이어 교차점에서 제 1 레이어(108)의 각 나노와이어와 근접한 접촉을 실행하여 두 나노와이어들 사이에서 가장 근접한 접촉을 나타낸다.
도 1에서 개별 나노와이어들(102, 104)이 직사각형의 단면을 가지도록 도시되지만, 나노와이어들은 또한 사각형, 원형, 타원형의, 또는 더 복잡한 단면을 가질 수 있다. 나노와이어들은 또한 많은 상이한 폭(width) 또는 지름 및 종횡비 (aspect ratio)또는 이심률(eccentricities)을 가질 수 있다. "나노와이어 크로스바"라는 용어는 나노와이어 외에 서브 마이크로 크기의 와이어들, 마이크로 크기의 와이어들, 또는 더 큰 치수를 갖는 와이어들의 하나 이상의 레이어들을 갖는 크로스바를 지칭할 수 있다.
레이어들은 종래의 포토리소그래피 뿐만 아니라 기계적 나노임프린팅(nanoimprinting) 기술을 포함하는 다양한 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. 대안으로, 나노와이어들은 화학적으로 합성될 수 있고 랭뮤어-블로드젯(Langmuir-Blodgett) 프로세스를 포함하는 하나 이상의 프로세싱 단계들에서 거의 평행한 나노와이어들의 레이어들로서 증착될 수 있다. 간섭 리소그래피와 같은 나노와이어들을 제조하기 위한 다른 대안의 기술들이 또한 이용될 수 있다. 전도체 및 반도체 나노와이어들의 많은 상이한 유형들이 금속성 및 반도체 물질, 이 유형들의 물질의 조합 및 다른 유형들의 물질로부터 화학적으로 합성될 수 있다. 나노와이어를 전기 회로에 포함시키기 위해 나노와이어 크로스바는 다양한 상이한 방법들을 통해 마이크로 크기 어드레스 와이어 리드(leads) 또는 다른 전자 리드에 연결될 수 있다.
나노와이어 교차점에서, 저항 및 다른 유사한 기본 전자 부품들과 같은 나노 크기 전자 부품들이 두 중첩하는 나노와이어들을 상호연결하도록 제조될 수 있다. 스위치에 의해 연결되는 임의의 두 나노와이어들은 "크로스바 접합"으로 칭해진다.
도 2는 거의 평행인 나노와이어들의 제 1 레이어(108)와 거의 평행인 나노와이어들의 제 2 레이어(106) 사이에 배치된 중간 레이어(210)를 보여주는 예시적인 나노와이어 크로스바 구조(200)의 등측도를 도시한다. 일 예시적인 실시예에 따라, 중간층(210)은 유전체 레이어일 수 있다. 상부 레이어(106) 내의 와이어들 과 하부 레이어(108) 내의 와이어들 사이 와이어 교차점에서의 중간 레이어에 다수의 접합 소자들(202-208)이 형성된다. 이 접합 소자들(202-208)은 나노와이어들 사이에서 프로그램 가능한 스위칭을 제공하는 것을 포함하는 다양한 기능들을 수행할 수 있다. 예시의 목적으로, 오직 소수의 접합 소자들(202-208)이 도 2에 도시된다. 상기 논의된 바와 같이, 많은 디바이스들에서 접합 소자가 각 나노와이어 교차점에서 나타나게 되는 것이 바람직할 수 있다. 나노와이어의 제 1 레이어(108)에서 모든 와이어가 나노와이어의 제 2 레이어(106)에서 각각의 와이어와 교차하기 때문에, 각 교차점에 접합 소자를 위치시키는 것은 제 1 레이어(108)에서의 임의의 나노와이어가 제 2 레이어(106)에서의 임의의 와이어에 연결되는 것을 가능하게 한다.
일 예시적인 실시예에 따라, 나노와이어 크로스바 구조(200)는 비휘발성 메모리 배열을 형성하는데 사용될 수 있다. 각각의 접합 소자들(202-208)은 데이터의 하나 이상의 비트들을 나타내는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 단순한 경우에, 접합 소자는 두 상태(전도 상태 및 비전도 상태)를 가질 수 있다. 전도 상태는 이진수의 "1"을 나타낼 수 있고 비전도 상태는 이진수의 "0"을 나타낼 수 있거나 그 반대일 수 있다. 접합 소자의 전도 상태를 변경함으로써 이진 데이터가 크로스바 구조(200)에 기록될 수 있다. 그러면 접합 소자(202-208)의 상태를 감지함으로써 이진 데이터가 검색될 수 있다. 접합 소자의 전도 상태를 변경하는 기능은 이하에 더 자세하게 설명되어있다.
상기 예시는 나노와이어 크로스바 구조(200)의 단지 일 실시예이다. 다양한 다른 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 크로스바 구조(200)는 둘 보다 많은 상태를 갖는 접합 소자들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 크로스바 구조는 함축 논리 구조 및 인공신경망과 같은 크로스바 기반 적응 회로를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 3a는 예시적인 크로스바 구조(300)를 도시하는 도면이다. 예시의 목적으로, 크로스바 구조(300)의 단지 일부분만이 도시되어있고 나노와이어들(302,304,314,316)이 라인으로 도시되어있다. 나노와이어 A 및 B(302,304)는 나노와이어의 상위 레이어에 있고 나노와이어 C 및 D(314, 316)는 나노와이어의 하위 레이어에 있다. 접합들(306-312)은 그들의 교차점에서 다양한 나노와이어들을 연결한다.
일 예시적인 실시예에 따라, 와이어 B(304)와 와이어 C(316) 사이 접합(312)의 상태는 음(또는 접지) 판독 전압을 와이어 B(304)에 인가하고 양전압을 와이어 C(316)에 인가함으로써 판독될 수 있다. 이상적으로, 판독 전압이 인가될 때 전류(324)가 접합(312)을 통해 흐르면, 판독 회로망은 접합(312)이 전도 상태에 있다는 것을 확인할 수 있다. 전류가 접합(312)을 통해 흐르지 않거나 실체가 없는 전류가 접합(312)을 통해 흐르는 경우, 판독 회로망은 접합(312)이 저항 상태에 있다는 것을 확인할 수 있다.
하지만, 접합들(306-310)이 기본적으로 순수 저항의 특성을 가진다면(즉, 상대적으로 저저항은 전도 상태이고 상대적으로 고저항은 저항 상태라면), 다수의 누설 전류는 다른 경로를 통해 이동할 수도 있다. 이 누설 전류는 "전기적 잡음"으로서 여겨질 수 있고 접합(312)의 원하는 판독을 불분명하게 할 수 있다.
도 3b는 와이어 C(316)과 와이어 B(304) 사이의 대체 경로를 통해 이동하는 누설 전류(326)를 도시한다. 도 3b에서, 누설 전류(326)는 세 접합(310,308,306)을 통해 이동하고, 라인 B(304) 위에 나타난다. 상상할 수 있는 바와 같이, 도 3b에 도시된 것보다 큰 크기의 배열에서, 판독 회로망에 의해 감지될 때 다양한 누설 전류가 많은 수의 대체 경로를 통해 이동할 수 있고 라인 B(304) 위에 나타날 수 있다. 이 누설 전류는 상당한 양의 원하지 않는 전류를 생성할 수 있고 접합(312) 상태의 원하는 판독을 불분명하게 한다.
도 4는 다이오드 유사 동작을 포함할 수 있어서 누화(crosstalk)를 감소시키는 스위칭 가능 접합체 소자(400)의 일 실시예를 보여주는 도면을 도시한다. 일 예시적인 실시예에 따라, 접합 소자는 상위 백금 전극(418) 및 하위 백금 전극(422)을 포함한다. 통상적으로, 전극들(418,422)은 교차하는 와이어들이지만, 전극들은 교차하는 와이어들에 전기적으로 연결된 분리소자일 수 있다. 접합 소자(400)의 중심 부분은 멤리스티브(memristive) 매트릭스 재료로 만들어질 수 있다.
멤리스티브 매트릭스 재료는 반도체의 재료이고 다수의 이동 도펀트를 포함한다. 상대적으로 높은 프로그래밍 전압의 영향 하에서, 이동 도펀트들이 반도체의 재료를 거쳐 이동되고, 따라서 접합의 특성들이 변화한다. 이동 도펀트들은 더 낮은 판독 전압이 인가될 때 그 자리에 남아있고, 다른 프로그래밍 전압이 인가될 때까지 접합의 상태가 계속 안정적으로 유지 가능하게 한다.
다수의 상이한 종류의 매트릭스/도펀트 조합들은 멤리스티브 매트릭스를 형성하는데 사용될 수 있다. 이하에서, 표 1은 사용될 수 있는 다수의 예시적인 재료 및 도펀트들을 열거한다.
이해될 수 있는 바와 같이, 반도체 매트릭스의 밴드 갭, 반도체에서 도펀트들의 종류 및 농도, 전극 금속의 일 함수 및 다른 요인들을 포함하여, 원하는 정류 동작으로 접합 소자를 성공적으로 구성하기 위해 다수의 요인들이 고려될 수 있다.
일 예시적인 실시예에 따라, 멤리스티브 매트릭스는 티타늄 이산화물(TiO2) 매트릭스(420)가 될 수 있고 이동 도펀트들(424)은 티타늄 이산화물 매트릭스(420) 내에서 산소 공공이 될 수 있다. 산소 공공 도펀트들(424)은 양전하로 하전되어 음전하로 끌리게 될 것이고 양전하에 의해 밀어내어질 것이다. 결과적으로, 상위 전극(418)에 음의 프로그래밍 전압을 인가하고 양의 프로그래밍 전압을 하위 전극(422)에 인가함으로써, 도펀트들(424)을 위쪽으로 이동시키기 위해 충분한 강도의 자기장이 달성될 수 있다. 이 강도의 자기장은 나노와이어 배열의 다른 접합 내에서 나타나지 않는데, 상위 전극 및 하위 전극에 연결되는 와이어들이 교차하는 곳에는 오직 하나의 접합, 즉, 접합(400)만이 있기 때문이다. 결과로서, 나노와이어 배열 내에서 각각의 접합들은 저항(444)으로 모델링된 가변 저항을 가지도록 개별적으로 프로그램될 수 있다. 이동 도펀트들(424)은 위쪽으로 이동(drift)하여 멤리스티브 매트릭스(420)와 상위 전극(418) 사이의 인터페이스 옆에 도핑된 영역(438)을 형성한다. 이 이동 도펀트들의 매트릭스(420)의 하위 영역으로부터의 이동은 도핑되지 않은 영역(436)으로 지칭된, 상대적으로 가볍게 도핑된 영역을 생성한다.
본 명세서, 도면들 및 첨부된 청구항들 전반에 걸쳐, "도핑된 영역" 및 "도핑되지 않은 영역"이라는 용어는 재료에서 나타날 수 있는 도펀드들 또는 다른 불순물들의 상대적인 레벨을 나타내는데 사용될 수 있다. 예를 들어, "도핑되지 않은"이라는 용어는 불순물 또는 도펀트들의 총 부재를 나타낼 수 없지만 "도핑된 영역"에서 보다 상당히 적은 불순물이 있다는 것을 나타낸다. 티타늄 이산화물 매트릭스(420)는 반도체이며 도핑된 영역에서는 상당히 더 높은 전도성을 나타내고 도핑되지 않은 영역에서는 낮은 전도성을 나타낸다.
상위 전극(418)의 높은 전기 전도성 및 도핑된 영역(438)에서 도펀트들(424)의 비교적 높은 전기 전도성은 인터페이스에서의 전기 특성들에 상대적으로 양호한 매칭(match)을 생성한다. 결과적으로, 두 재료들 사이에서의 순조로운 전기적 전이가 있다. 이 상위 전극(418)과 매트릭스(420) 사이의 전기적 전이는 옴(Ohmic) 인터페이스(426)로 칭해진다. 옴 인터페이스(426)는 상대적으로 높은 전기적 전도성에 의한 특징을 나타낸다.
접합 소자(400)의 물리적 도면의 우측에 대해서는, 대응 전기적 도면이 도시된다. 옴 인터페이스(426)는 저항 R1(430)으로서 모델링된다. 상기 논의된 바와 같이, 저항 R1(430)은 인터페이스를 통과하는 저저항에 기인하여 상대적으로 저저항을 가질 것이다.
매트릭스(420)와 하위 전극(422) 사이의 인터페이스에서, 전도성 금속 전극(422)은 직접적으로 티타늄 이산화물 매트릭스의 도핑되지 않은 영역(436)과 인터페이스한다. 이 인터페이스에서, 인접 재료들의 전기적 전도성과 다른 특성들에 있어서 큰 차이가 있다. 이 인터페이스에서의 전기적 동작은 옴 인터페이스(426)와는 상당히 상이하다. 옴 인터페이스 대신에, 하위 인터페이스는 쇼트키 유사(Schottky-like) 인터페이스(428)를 형성한다. 쇼트키 인터페이스(428)는 다이오드 유사 정류 특성을 갖는 금속 반도체 인터페이스에서 형성되는 잠재적 장벽(barrier)을 갖는다. 쇼트키 인터페이스는 금속에서 보다 좁은 공핍층(depletion)의 폭을 가진다는 점에서 p-n 인터페이스와는 상이하다.
일 실시예에서, 스위칭 가능 접합체 소자(400)는 다양한 레이어들을 형성하기 위해 다수의 박막들(thin films)을 사용하여 생성될 수 있다. 다중레이어 박막에서, 인터페이스 동작은 전통적 쇼트키 장벽과 정확하게 동일하지 않을 수 있다. 이에 따라, 예시적인 박막들 사이에서의 다양한 인터페이스들은 "쇼트키 유사"로 설명된다. 대응되는 전기 소자는 다이오드 D1(434)로서 모델링된다. 보통의 전압에서, 다이오드 D1(434)는 전기 전류가 오직 하나의 방향으로 흐르는 것이 가능하도록 한다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 다이오드 D1(434)는 오직 전류가 하위 전극(422)으로부터 상위 전극(418)로 흐르는 것이 가능하도록 한다. 이 다이오드 동작을 크로스바 배열 내 접합 소자의 각각으로 통합함으로써, 누화 전류의 큰 부분이 차단될 수 있다.
이 다이오드 동작의 이점들은 도 3a 및 도 3b로 복귀하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 일 실시예에서, 접합 소자(306-312)의 각각은 이 다이오드 동작을 포함한다. 결과적으로, 전류는 하위 와이어(314,316)로부터 상위 와이어(302, 304)로 흐를 수 있지만 반대 방향으로 흐를 수 없다. 도 3a의 판독 전류는 전류의 흐름이 와이어 C(316)로부터 와이어 B(304)로 위쪽으로 향하기 때문에 지연되지 않는다. 하지만 도 3B에서 도시된 누설 전류(326)는 누설 전류가 라인 A(302)와 라인 D(314) 사이 접합 요소(308)를 거쳐 아래쪽으로 이동하기 위해 시도함에 따라 차단된다. 나노와이어 배열 내에서의 다른 누설 경로들은 이들이 배열의 상위 레이어의 나노와이어들로부터 하위 레이어의 나노와이어들로 지나가려고함에 따라 유사하게 차단된다.
도 1에 도시된 배열(100)과 같은 나노와이어 크로스바 배열을 사용하여 형성된 디지털 메모리와 같은 디지털 회로의 복잡성은 배열의 일 측면이 접지와 같은 고정 전압 레벨에 연결되고, 이는 매트릭스의 반대 측면 상에서의 전극에 전압을 인가함으로써 판독되고 기록되는 교차점을 가짐으로써 상당히 감소될 수 있다. 하지만, 전극들이 동일한 재료로 만들어졌다면, 전압이 단지 하나의 전극에만 인가되고 다른 전극들에는 접지가 인가되어, 차단 다이오드의 이점을 무효화할 수 있다.
예를 들어, 도 4는 백금 전극(418) 및 (422)를 도시한다. 하부 전극(422)은 접지에 연결되고 전압이 상부 전극(418)에 인가되는 경우, 동일한 전압이지만 반대의 극성을 갖는 전기장이 하부 전극(422)에 제공될 것이다. 도핑된 영역(438)의 일부분을 변경하기에 충분한 전압 레벨에서, 전기장은 하부 다이오드를 스위칭할 것이고 따라서 하부 다이오드(434)를 거쳐 양방향으로 전류가 흐르는 것을 가능하게 하며, 그렇게 함으로써 차단 다이오드를 가지는 것의 이점을 제거한다.
이 제약을 극복하기 위해, 멤리스티브 매트릭스의 반대 측면 상의 전극들은 상이한 종류의 전도성 재료로 형성될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 멤리스티브 매트릭스와 전극 사이의 인터페이스는 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스를 형성하도록 작동한다. 다이오드의 스위칭 전압은 전극과 멤리스티브 매트릭스를 형성하는데 사용되는 재료의 종류에 의존적이다.
멤리스티브 매트릭스와 인터페이스하기 위한 전극들에 사용되는 예시적인 전도성 재료들은 금(gold), 은(silver), 알루미늄(aluminum), 구리(copper), 백금(platinum), 팔라듐(palladium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 오스뮴(osmium), 텅스텐(tungsten), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈룸(tantalum), 니오븀(niobium), 코발트(cobalt), 니켈(nickel), 철(iron), 크롬(chromium), 바나듐(vanadium), 티타늄(titanium), 이리듐(iridium), 이리듐 산화물(iridium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 티타늄 질화물(titanium nitride), 및 티타늄 탄화물(titanium carbide)을 포함한다. 다양한 종류의 합금, 합성물 및 전도성 폴리머들이 또한 전극으로서 사용될 수 있다. 전극을 형성하기 위해 사용되는 재료는 전극/멤리스티브 매트릭스 인터페이스를 형성하기 위해 선택되며, 멤리스티브 매트릭스 내의 이동 도펀트들이 인터페이스의 임피던스를 변경하기에 충분하게 이동되는 것을 가능하게 하는 원하는 범위의 스위칭 전압을 제공한다.
예를 들어, 도 5a는 실질적으로 금(Au)으로부터 형성될 수 있는 제 1 전극(518)을 도시한다. 제 2 전극(522)은 실질적으로 백금(Pt)으로부터 형성될 수 있다. 도 5a의 예시에서, 금 전극(518)과 티타늄 이산화물 멤리스티브 매트릭스(520) 사이의 접합은 대략 0.5볼트의 스위칭 전압을 갖는 제 1 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스(552)를 생성할 수 있다. 이는 단면도의 우측에 도시되는 접합의 전기적 모델에서, 다이오드 D2(542)로 나타내어진다. 티타늄 이산화물 멤리스티브 매트릭스(520)와 백금 전극(522)의 인터페이스에 의해 생성된 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스(528)는 대략 1.5볼트의 스위칭 전압을 갖는 쇼트키 유사 다이오드(534)를 형성한다. 이 스위칭 전압의 차이는 하나의 다이오드가 스위칭 온(switched on)되는 것을 가능하게 하고, 반면 다른 다이오드는 스위칭 오프(swiched off)되도록 한다. 이는 백금 하부 전극이 접지와 같은 정전압에 연결되는 것을 가능하게 한다. 그러면 단일 가변 전압이 스위칭 가능 접합체 소자의 상태를 스위칭하도록 상부 전극에 인가될 수 있다. 접합의 하나의 레이어를 접지에 연결하도록 하는 이러한 기능은 낮은 스위칭 전압을 갖는 접합에 연결된 단일 전압 소스로 접합을 판독하고 기록할 수 있도록 하여 복잡성에 있어서의 상당한 감소를 가능하게 한다.
상기 논의된 바와 같이, 매트릭스의 도핑된 영역(548)은 다수의 이동 도펀트들을 포함한다. 사용된 도펀트들의 종류는 멤리스티브 매트릭스를 형성하는 재료에 의존한다. 예시에서, 티타늄 이산화물(TiO2)이 멤리스티브 매트릭스를 형성하는데 사용될 때, 도핑된 영역(548)은 산소 공공으로 구성된다. 0.5V와 1.5V 사이의 양 전압이 금 전극(518)에 인가될 때, 이는 도핑된 영역을 금 전극(518)으로부터 멀리 이동시키는 전기장을 생성한다. 인가된 전압이 백금 전극(522)의 인터페이스 스위칭 전압보다 작기 때문에, 쇼트키 유사 인터페이스(528)을 포함하는 다이오드(534)는 오프 위치에 남아있고 전류 흐름에 대한 장벽을 형성하며, 그렇게 함으로써 누설 전류 및 누화를 상당히 감소시킨다. 도핑된 영역(548)이 금 전극으로부터 선택된 거리로 떨어져 있을 때, 스위칭 가능 접합체 소자(500)의 전도성은 도 5a에 도시된 바와 같이, 정면(head-to-head) 정류 회로를 형성하도록 변화한다. 멤리스티브 매트릭스에서 도핑되지 않은 영역(546), 도핑된 영역(548), 및 도핑되지 않은 영역(550)의 결합 저항은 도 5a에서 접합의 전기 모델에서의 저항(544)으로서 모델링된다.
도 5a에서 도핑된 영역(548)의 위치는 스위칭 가능 접합체 소자(500)의 "오프" 상태를 나타낸다. 오프 상태에서, 저항은 대략 105 옴 내지 107 옴의 크기가 될 수 있고, 사용된 재료의 종류에 의존한다. 스위칭 가능 접합체 소자의 상태는 전극 인터페이스(528, 552)의 가장 낮은 스위칭 전압보다 낮은 판독 전압을 인가함으로써 판독될 수 있다. 이 예에서, 통상적으로 판독 전압은 대략 0.2볼트이며, 판독 전압은 +/-0.5볼트보다 작을 수 있다.
스위칭 가능 접합체 소자(500)는, 금 전극(518)에 0.5볼트보다 크게 음 전압을 인가함으로써, 도 5b에 도시된 바와 같이, "온" 상태로 스위칭 될 수 있다. 음의 1.5볼트보다 작은 전압은 백금 전극(522) 인터페이스(528)가 스위칭하지 않으며, 기록 사이클 동안 발생하는 누설 전류 및 누화를 상당히 감소시키는 것을 보장할 것이다. 도핑된 영역(538)이 금 전극(518) 근처에서 이동할 때, 상기 논의된 바와 같이, 이는 옴 인터페이스(526)를 형성한다. 옴 인터페이스의 상대적으로 낮은 저항은 저항(530)에 의해 모델링된다. "온" 상태에서 접합(500)의 저항은 대략 102 내지 104 의 크기이고, 또는 "오프" 상태에서의 저항보다 거의 103 배 적다. 상기 논의된 바와 같이, 이 저항에서의 큰 변화는 판독 전압을 인가함으로써 감지될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서의 예의 더 일반적인 도시는 도 6에서 제공된다. 도 6은 멤리스티브 매트릭스(615)에 전기적으로 연결된 제 1 전극(610)을 도시하고 이는 제 2 전극(630)에 전기적으로 연결된다. 제 1 전극은 다이오드 스위칭 전압 V1을 갖는 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 선택되며, V1은 제 2 전극(630)과 멤리스티브 매트릭스(615) 사이에서 형성된 제 2 정류 다이오드 인터페이스의 다이오드 스위칭 전압 V2보다 작다. 제 2 전극은 접지(640), 또는 다른 선택된 정전압에 연결될 수 있다. 제 1 전극과 멤리스티브 매트릭스 사이의 인터페이스는 멤리스티브(646)로서 모델링된 스위칭 가능 인터페이스(626)를 형성한다.
제 2 전극(630)과 멤리스티브 매트릭스(615) 사이의 인터페이스는 다이오드(634)로서 모델링된 안정적인 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스(628)를 형성한다. 멤리스티브 매트릭스는 저항(644)으로서 모델링된다. 가변 전압 소스 V1<V<V2는 스위칭 가능 접합체 소자(600)에 기록하기 위해 상부 전극(610)에 인가될 수 있다. V의 극성은 이동 도펀트들의 전하에 기초하여 결정된다. 극성은 멤리스티브 매트릭스 내에서 전기장을 생성하기 위해 선택되며 이는 스위칭 가능 접합체 소자(600)의 "온" 상태를 형성하도록 도펀트들이 제 1 전극(610)으로 향하게 한다. 반대 극성은 스위칭 가능 접합체 소자(600)를 "오프" 상태로 이동시키도록 선택된다. 직관적으로, "온" 및 "오프"로 선택된 상태는 임의적으로 선택될 수 있고, 또는 더 큰 시스템의 요구에 기초할 수 있다.
스위칭 가능 접합체 소자(600)의 상태는 V1 보다 작은 전압을 인가함으로써 판독될 수 있다. 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스(628)는 판독 사이클과 기록 사이클 동안에 양쪽 모두에서 전류 및 누화를 상당히 제한한다. 특정 어플리케이션의 필요조건에 의존하여, 제 1 전극은 안정적인 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스를 형성하도록 선택된 재료로부터 구성될 수 있고 이에 따라 제 2 전극의 재료는 스위칭 인터페이스를 형성하도록 선택될 수 있다.
전극을 형성하는데 사용되는 전도성 재료의 종류는 접합의 원하는 스위칭 전압에 기초하여 선택될 수 있다. 스위칭 전압은 전극/멤리스티브 매트릭스 인터페이스의 물리적 특성에 의존한다. 멤리스티브 매트릭스에 연결되는 두 전극에 대해 두 개의 상이한 스위칭 전압이 요구된다. 통상적으로 상대적으로 낮은 스위칭 전압이 스위칭에서 소비되는 전력의 양을 감소시키기 위해 바람직하다. 상기 논의된 바와 같이, Au/TiO2인터페이스에 대한 다이오드 스위칭 전압은 대략 0.5볼트이다. Pt/TiO2에 대한 다이오드 스위칭 전압은 대략 1.5볼트이다.
쇼트키 유사 다이오드 인터페이스의 스위칭 전압 사이들의 차이는 하나의 전극, 예를 들어, 전극(628)이 접지되거나 고정 전압으로 설정되는 것이 가능하도록 한다. 낮은 다이오드 스위칭 전압과 큰 다이오드 스위칭 전압 사이의 전압(금 및 백금을 사용할 때 0.5 < V < 1.5)이 낮은 다이오드 스위칭 전압을 갖는 전극에 인가될 수 있으며, 이에 따라,스위칭 가능 접합체 소자(600)이 상대적으로 높은 임피던스와 상대적으로 낮은 임피던스 사이에서 스위칭되는 것이 가능하도록 한다. 이 전압 범위 내를 유지함으로써, 큰 다이오드 스위칭 전압을 갖는 전극(630)과 멤리스티브 매트릭스(615)의 인터페이스(628)에서의 쇼트키 유사 다이오드(634)를 유지하면서, 접합이 스위칭될 수 있다. 이는, 전류 흐름에 대한 장벽을 유지하여 누설 전류 및 누화를 상당히 감소시키는 동시에 접합(600)이 스위칭될 수 있게 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스위칭 가능 접합체의 하나의 전극에 접지 또는 고정 전압을 인가하고 단일의, 가변 전압을 사용하여 접합을 스위칭할 수 있다는 점은 나노와이어 크로스바 배열에 대한 판독 및 기록의 복잡성을 상당히 감소시킨다. 두 상이한 전압을 배열 내 각각의 스위칭 가능 접합체의 두 전극에 인가해야하는 것 보다는, 각각의 접합을 판독하거나 기록하기 위해 단일 전압을 인가하는 기능이 실질적으로 크로스바 배열을 사용하여 구성된 디바이스의 복잡성 및 비용을 감소시킬 수 있다.
상기 예들이 하나 이상의 특정 어플리케이션에서의 본 발명의 원리들의 예시인 반면, 당업자에게 구현의 형식, 사용 및 상세에서 다수의 수정이 비자명성이 없이, 그리고 본 발명의 원리 및 개념들로부터 이탈하는 것이 없이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 하기의 청구항에 의한 바를 제외하고 본 발명이 제한되는 것이 의도되지 않는다.
100 : 크로스바 배열
102, 104, 302, 304, 314, 316 : 나노와이어
202-208 : 접합 소자 210 : 중간 레이어
306-312 : 접합 326 : 누설 전류
400 : 스위칭 가능 접합체 소자 418 : 상위 백금 전극
420 : 티타늄 이산화물 매트릭스 422 : 하위 백금 전극
424 : 이동 도펀트 426 : 옴 인터페이스
430, 444 : 저항 434 : 다이오드
436 : 도핑되지 않은 영역 438 : 도핑된 영역
518 : 제 1 전극 522 : 제 2 전극
528, 534 : 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스
518 : 금 전극 548 : 도핑된 영역
610 : 상부 전극 640 : 접지
626 : 스위칭 가능 인터페이스 646 : 멤리스티브
102, 104, 302, 304, 314, 316 : 나노와이어
202-208 : 접합 소자 210 : 중간 레이어
306-312 : 접합 326 : 누설 전류
400 : 스위칭 가능 접합체 소자 418 : 상위 백금 전극
420 : 티타늄 이산화물 매트릭스 422 : 하위 백금 전극
424 : 이동 도펀트 426 : 옴 인터페이스
430, 444 : 저항 434 : 다이오드
436 : 도핑되지 않은 영역 438 : 도핑된 영역
518 : 제 1 전극 522 : 제 2 전극
528, 534 : 쇼트키 유사 다이오드 인터페이스
518 : 금 전극 548 : 도핑된 영역
610 : 상부 전극 640 : 접지
626 : 스위칭 가능 인터페이스 646 : 멤리스티브
Claims (20)
- 상이한 스위칭 임계값(switching thresholds)을 갖는 진성 다이오드들을 갖는 스위칭 가능 접합체(switchable junction)으로서,
제 1 전도성 재료로 형성된 제 1 전극과,
제 2 전도성 재료로 형성된 제 2 전극과,
제 1 스위칭 임계값을 갖는 제 1 정류 다이오드 인터페이스 및 제 2 스위칭 임계값을 갖는 제 2 정류 다이오드 인터페이스를 형성하기 위해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 제 1 전기적 인터페이스 및 제 2 전기적 인터페이스를 형성하도록 구성된 멤리스티브 매트릭스(memristive matrix)를 포함하되,
상기 제 1 전도성 재료는, 상기 제 2 스위칭 임계값보다 작은 상기 제 1 스위칭 임계값을 갖는 상기 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 선택되는
스위칭 가능 접합체.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 재료 및 상기 제 2 전도성 재료는 금(gold), 은(silver), 알루미늄(aluminum), 구리(copper), 백금(platinum), 팔라듐(palladium), 루테늄(ruthenium), 로듐(rhodium), 오스뮴(osmium), 텅스텐(tungsten), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈룸(tantalum), 니오븀(niobium), 코발트(cobalt), 니켈(nickel), 철(iron), 크롬(chromium), 바나듐(vanadium), 티타늄(titanium), 이리듐(iridium), 이리듐 산화물(iridium oxide), 루테늄 산화물(ruthenium oxide), 티타늄 질화물(titanium nitride), 및 티타늄 탄화물(titanium carbide)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 형성된
스위칭 가능 접합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멤리스티브 매트릭스는 티타늄 이산화물(titanium dioxide), 지르코늄 이산화물(zirconium dioxide), 하프늄 이산화물(hafnium dioxide), 탄탈룸 산화물(tantalum oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 스트론튬 티타늄 3산화물(strontium titanium trioxide), 갈륨 질화물(gallium nitride) 또는 구리 염화물(copper chloride)을 포함하는 재료로부터 형성되는
스위칭 가능 접합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 멤리스티브 매트릭스의 재료는 산소 공공(oxygen vacancies), 질소 공공(nitrogen vacancies), 염소 공공(chlorine vacancies) 또는 황화 이온(sulfide ions)을 포함하는 이동 도펀트를 포함하는
스위칭 가능 접합체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 정류 다이오드 인터페이스를 스위칭하지 않고 상기 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 스위칭하도록 전압이 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 것을 가능하게 하도록 상기 제 1 스위칭 임계값이 상기 제 2 스위칭 임계값보다 작은
스위칭 가능 접합체.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
크로스바 배열체(cross bar array)를 형성하도록 정렬된 복수의 스위칭 가능 접합체를 더 포함하는
스위칭 가능 접합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스위칭 가능 접합체는 크로스바 배열 내의 두 나노와이어들 사이에 스위칭 가능한 전기 연결을 형성하도록 구성된
스위칭 가능 접합체.
- 제 4 항에 있어서,
상기 이동 도펀트는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 걸친 프로그래밍 전압의 인가에 의해 상기 멤리스티브 매트릭스를 통하여 이동되도록 구성되며, 상기 이동 도펀트는 전기적 인터페이스의 프로그래밍 가능한 전도도를 정의하는 이동 도펀트 분포를 갖는
스위칭 가능 접합체.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 하나는 접지에 연결되고, 스위칭 전압 및 판독 전압 중 하나는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 다른 하나에 인가되는
스위칭 가능 접합체.
- 상이한 스위칭 임계값(switching threshold)을 갖는 적어도 두 개의 진성 다이오드를 갖는 스위칭 가능 접합체(switchable junction)으로서,
제 1 전도성 재료로 형성된 제 1 전극과,
제 2 전도성 재료로 형성된 제 2 전극과,
이동 도펀트를 갖는 멤리스티브 매트릭스(memristive matrix)와,
상기 멤리스티브 매트릭스와 상기 제 1 전극 사이의 제 1 전기적 인터페이스―상기 제 1 전기적 인터페이스는 제 1 스위칭 임계값을 갖는 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 작동 가능함―와,
상기 멤리스티브 매트릭스와 상기 제 2 전극 사이의 제 2 전기적 인터페이스―상기 제 2 전기적 인터페이스는 상기 제 1 스위칭 임계값보다 큰 제 2 스위칭 임계값을 갖는 제 2 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 작동 가능함―를 포함하되,
상기 제 1 전도성 재료는, 상기 제 2 스위칭 임계값보다 작은 상기 제 1 스위칭 임계값을 갖는 상기 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 선택되고,
상기 제 2 전극은 고정 전압에 연결되며, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 선택된 전압은 상기 이동 도펀트를 상기 제 1 전기적 인터페이스에 관련된 원하는 위치로 분포시키고 상기 이동 도펀트의 위치에 기초하여 상기 제 1 전기적 인터페이스의 저항이 스위칭되는 것을 가능하게 하면서 상기 제 2 정류 다이오드 인터페이스가 역전류를 차단하도록 유지시키는
스위칭 가능 접합체.
- 제 11 항에 있어서,
상기 고정 전압은 접지인
스위칭 가능 접합체.
- 제 11 항에 있어서,
상기 선택된 전압은 상기 제 1 스위칭 임계값보다 크고 상기 제 2 스위칭 임계값보다 작은 레벨을 갖는
스위칭 가능 접합체.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 가능 접합체는 크로스바 배열 내의 두 나노와이어들 사이에 스위칭 가능한 전기적 연결을 형성하도록 구성된
스위칭 가능 접합체. - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이동 도펀트는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 걸친 프로그래밍 전압의 인가에 의해 멤리스티브 매트릭스를 통하여 이동되도록 구성되며, 상기 이동 도펀트는 전기적 인터페이스의 프로그래밍 가능한 전도도를 정의하는 이동 도펀트 분포를 갖는
스위칭 가능 접합체.
- 나노와이어 크로스바 배열체(nanowire crossbar array)로서,
상이한 스위칭 임계값(switching thresholds)을 갖는 진성 다이오드들을 포함하는 복수의 스위칭 가능 접합체(switchable junctions)를 포함하되,
상기 복수의 스위칭 가능 접합체는,
제 1 전도성 재료로 형성된 제 1 전극과,
제 2 전도성 재료로 형성된 제 2 전극과,
이동 도펀트(mobile dopants)를 포함하는 멤리스티브 매트릭스(memristive matrix)를 포함하고,
상기 멤리스티브 매트릭스는 제 1 스위칭 임계값을 갖는 제 1 정류 다이오드 인터페이스 및 제 2 스위칭 임계값을 갖는 제 2 정류 다이오드 인터페이스를 형성하기 위해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 제 1 전기적 인터페이스 및 제 2 전기적 인터페이스를 형성하되,
상기 제 1 전도성 재료는, 상기 제 2 스위칭 임계값보다 작은 상기 제 1 스위칭 임계값을 갖는 상기 제 1 정류 다이오드 인터페이스를 형성하도록 선택되는
나노와이어 크로스바 배열체. - 제 16 항에 있어서,
상기 멤리스티브 매트릭스는, 티타늄 이산화물(titanium dioxide), 지르코늄 이산화물(zirconium dioxide), 하프늄 이산화물(hafnium dioxide), 탄탈룸 산화물(tantalum oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), 몰리브덴 산화물(molybdenum oxide), 스트론튬 티타늄 3산화물(strontium titanium trioxide), 갈륨 질화물(gallium nitride) 또는 구리 염화물(copper chloride)을 포함하는 재료로부터 형성되는
나노와이어 크로스바 배열체. - 제 16 항에 있어서,
상기 이동 도펀트는 산소 공공(oxygen vacancies), 질소 공공(nitrogen vacancies), 염소 공공(chlorine vacancies) 또는 황화 이온(sulfide ions)을 포함하는
나노와이어 크로스바 배열체. - 제 16 항에 있어서,
상기 이동 도펀트는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 걸친 프로그래밍 전압의 인가에 의해 상기 멤리스티브 매트릭스를 통하여 이동되도록 구성되며, 상기 이동 도펀트는 전기적 인터페이스의 프로그래밍 가능한 전도도를 정의하는 이동 도펀트 분포를 갖는
나노와이어 크로스바 배열체. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 하나는 접지에 연결되고, 스위칭 전압 및 판독 전압 중 하나는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 다른 하나에 인가되는
나노와이어 크로스바 배열체.
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| PCT/US2009/048627 WO2010151260A1 (en) | 2009-06-25 | 2009-06-25 | Switchable junction with intrinsic diodes with different switching thresholds |
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