KR102358352B1 - Modeling method and apparatus for memristor device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤리스터 소자의 모델링 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 기판 상에 마련된 하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화의 저항 스위칭이 발생하고 하부 전극 상에 마련되며 IGZO를 포함하는 스위칭 물질층과, 스위칭 물질층 상에 마련된 상부 전극을 각각 포함하며, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자에 대한 모델링 방법으로서, SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method and apparatus for modeling a memristor element. In the modeling method of a memristor device according to an embodiment of the present invention, resistance switching of a resistance change occurs according to an applied voltage between a lower electrode provided on a substrate, and an upper electrode and a lower electrode, and is provided on the lower electrode and IGZO A modeling method for a memristor device comprising a switching material layer including a switching material layer, and an upper electrode provided on the switching material layer, respectively, in which resistance switching occurs according to a change in a Schottky barrier height (SBH), the SBH modeling the change as a stretched exponential function (SEF).

Description

멤리스터 소자의 모델링 방법 및 장치{Modeling method and apparatus for memristor device}Modeling method and apparatus for memristor device

본 발명은 멤리스터 소자의 모델링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에서 멤리스터 소자에 대한 모델 구현이 가능한 모델링 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a modeling method and apparatus for a memristor element, and more particularly, to a modeling method and apparatus capable of implementing a model for a memristor element in an electronic circuit simulation such as SPICE.

지금까지 개발된 컴퓨팅 시스템은 메모리, 프로세서 및 컨트롤러 등이 별도로 존재하는 폰 노이만 아키텍처(von-Neumann architecture)로 구성되어, 반도체 재료를 이용한 연산 및 논리 소자와 메모리 소자의 집적을 통하여 발전하여 왔다. 예를 들어, 메모리 및 프로세싱 유닛의 디지털 및 아날로그 회로는 대부분 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 컴퓨팅 및 정보 기술의 성능 향상에 따라, 이러한 CMOS 장치의 영구적인 스케일링 축소(scaling down)를 기반으로 동작 주파수(operating frequency)를 높이면서 전력 소비를 효율적으로 줄일 수 있었다.The computing system developed so far consists of a von-Neumann architecture in which a memory, a processor, and a controller are separately present, and has been developed through arithmetic and logic devices using semiconductor materials and integration of the memory devices. For example, most digital and analog circuits of the memory and processing unit may be configured to include a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) device. According to the performance improvement of computing and information technology, it is possible to effectively reduce power consumption while increasing the operating frequency based on the permanent scaling down of such CMOS devices.

하지만, 지속적인 집적도(integration density)의 향상을 요구하는 시스템 개선 요구에 비해, 소자의 집적도를 높이는 데는 거의 한계에 이르렀다. 즉, 최신 CMOS 장치 등의 집적도는 무어의 법칙을 따르지 않고 있으며, 그 스케일링 축소(scaling down)도 물리적 한계에 빠르게 도달하고 있다.However, compared to the system improvement request which requires continuous improvement of the integration density, it has almost reached a limit in increasing the integration degree of the device. That is, the degree of integration of the latest CMOS devices and the like does not follow Moore's Law, and its scaling down is also rapidly reaching its physical limit.

또한, 더욱 복잡해지는 정보 처리 환경과 고밀도의 정보저장을 요구하는 환경에서, 종래의 폰 노이만 시스템은 논리 소자와 메모리 소자 사이의 신호전달의 지연 등에 의한 성능 개선의 한계와 높은 에너지 소모의 문제를 안고 있다. 즉, 동작 주파수와 장치 밀도가 증가로 전력 소비와 동작 온도가 증가하면서, 메모리와 프로세서 간에 데이터를 전송하는데 소요되는 시간과 에너지로 인해, 폰 노이만 시스템은 그 성능이 심각하게 저하될 수 있다. 이러한 현상은 실시간 이미지 인식 및 자연어 처리 등과 같은 데이터 중심의 응용 분야에서 특히 두드러지며, 이러한 응용 분야에서의 폰 노이만 시스템은 인간의 두뇌를 능가할 수 없다.In addition, in a more complex information processing environment and an environment requiring high-density information storage, the conventional von Neumann system has a limitation in performance improvement due to delay in signal transmission between a logic element and a memory element, and a problem of high energy consumption. have. That is, the performance of the von Neumann system may be severely degraded due to the time and energy required to transfer data between the memory and the processor while power consumption and operating temperature increase due to an increase in operating frequency and device density. This phenomenon is particularly noticeable in data-driven applications such as real-time image recognition and natural language processing, and von Neumann systems in these applications cannot outperform the human brain.

폰 노이만 시스템과 달리, 인간의 두뇌는 높은 연결성(connectivity)을 이용한 병렬처리 능력과 더불어 연산기능과 기억기능을 시냅스(synapse)를 통하여 동시에 수행하는 특성을 갖고 있다. 즉, 인간의 두뇌에는 약 1011개의 뉴런(neuron)이 존재하여 저전력 컴퓨팅 요소로 작용하고, 각각의 뉴런과 뉴런 사이에는 약 104개의 시냅스라고 하는 연결부위가 존재하여 적응형 메모리 요소로 작용하며, 이들이 연결된 대규모 병렬 구조를 통해 방대한 양의 정보를 병렬 처리할 수 있다. 그 결과, 단순 계산에 있어서는 폰 노이만 시스템이 인간의 두뇌보다 더 우수한 성능을 나타내지만, 비정형 데이터 분류 및 패턴 인식 등 복잡한 환경에서는 인간의 두뇌가 더 우수한 성능을 나타낸다.Unlike the von Neumann system, the human brain has the characteristic of simultaneously performing computational and memory functions through synapses as well as parallel processing capabilities using high connectivity. In other words, there are about 10 11 neurons in the human brain, which act as a low-power computing element, and about 10 4 synapses exist between each neuron and neurons, which act as an adaptive memory element. , it is possible to process massive amounts of information in parallel through a massively parallel structure in which they are connected. As a result, the von Neumann system performs better than the human brain in simple calculations, but the human brain performs better in complex environments such as unstructured data classification and pattern recognition.

따라서, 복잡한 정보처리 환경에서, 인간의 두뇌를 모사한 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템(neuromorphic computing system)은 폰 노이만 시스템에 비해 더욱 우수한 성능을 보일 수 있다. 이러한 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템은 전자 장치로 이루어진 시냅스 장치 및 신경 회로로 구현될 수 있다. 예를 들어, 뉴모로픽 컴퓨팅 시스템은 멤리스터(memristor) 소자로 구성된 초고밀도 크로스바 어레이(crossbar array)를 통해, 인간의 두뇌에서 발견되는 대규모 병렬성과 극도로 낮은 전력 동작을 모방할 수 있다.Therefore, in a complex information processing environment, a neuromorphic computing system simulating a human brain may show better performance than a von Neumann system. Such a neuromorphic computing system may be implemented as a synaptic device and a neural circuit made of electronic devices. For example, a pneumatic computing system can mimic the massively parallel and extremely low-power operation found in the human brain through an ultra-dense crossbar array of memristor elements.

한편, 멤리스터 소자는 인가된 전압 및 전류의 이력에 기초하여 내부 저항의 상태를 유지할 수 있는 전기 저항 스위치(resistive switch)로 동작한다. 즉, 멤리스터 소자는 정보를 저장하고 처리할 수 있으며, 기존의 집적 회로 기술을 능가하는 여러 성능 특성을 제공한다. 예를 들어, 멤리스터 소자는 도체-절연체-도체의 스택으로 이루어질 수 있으며, 대규모 애플리케이션의 경우, 크로스바 어레이의 형태로 사용될 수 있다. 이러한 멤리스터 소자는 생물학적 시냅스와 큰 기하학적 유사성을 가져, 뉴모로픽 컴퓨팅 시스템에서 크로스바 어레이의 시냅스 장치의 역할을 할 수 있다. 즉, 생물학적 시냅스에서의 신호 전도도의 변화는 시냅스 장치에서의 전기 전도도의 변화 또는 시냅틱 가중치(synaptic weight)의 변화로 유사하게 구현될 수 있다.On the other hand, the memristor element operates as an electrical resistance switch (resistive switch) capable of maintaining the state of the internal resistance based on the history of the applied voltage and current. In other words, memristor devices can store and process information, and provide several performance characteristics that outperform conventional integrated circuit technologies. For example, a memristor element may consist of a stack of conductor-insulator-conductor, and for large-scale applications, it may be used in the form of a crossbar array. Such a memristor device has a large geometrical similarity to a biological synapse, so it can serve as a synaptic device of a crossbar array in a pneumomorphic computing system. That is, a change in signal conductivity in a biological synapse may be similarly implemented as a change in electrical conductivity in a synaptic device or a change in synaptic weight.

멤리스터 소자에서 멀티-레벨로 정의 가능한 가중치를 제공하는 아날로그 스위칭 특성을 얻기 위해, 스위칭 층(switching layer)의 재료에 대한 특별한 관심과 함께 활발한 노력이 이루어졌다. 특히, IGZO(인듐-갈륨-아연-산화물) 등과 같이 3원 이상의 금속산화물 재질(이하, “등의 재질”이라 지칭함)의 경우, 높은 캐리어 이동성, 박막 제조의 높은 균일성, 투명성 및 저열 예산 공정 통합 등으로 인해, 유연한 전자 제품, 웨어러블 헬스 케어 시스템, 바이오 센서 및 디스플레이 등에 광범위하게 적용될 수 있을 뿐 아니라, 높은 비용 효율성을 갖춘 로직 및 메모리 장치에도 적용될 수 있다.In order to obtain analog switching characteristics that provide multi-level definable weights in memristor devices, vigorous efforts have been made with special attention to the materials of the switching layer. In particular, in the case of a ternary or higher metal oxide material (hereinafter referred to as “the material of the back”) such as IGZO (indium-gallium-zinc-oxide), high carrier mobility, high uniformity of thin film manufacturing, transparency, and low heat budget process Due to integration and the like, it can be widely applied to flexible electronic products, wearable health care systems, biosensors and displays, and the like, as well as logic and memory devices with high cost-effectiveness.

이러한 IGZO 등의 재질은 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 위한 멤리스터 소자에서 스위칭 층으로 적용될 수 있다. 이 경우, 고밀도 어레이 및 시스템 레벨 검증 등을 위해, IGZO 등의 재질이 스위칭 층으로 적용된 멤리스터 소자를 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에 적용하기 위한 컴팩트한 모델(compact model)이 반드시 필요하다. 하지만, 현재까지 이러한 IGZO 등이 적용된 멤리스터 소자에 대한 모델이 개발되지 않고 있다. 이는 IGZO 등이 적용된 멤리스터 소자에 대한 모델링은 저항 스위칭 특성 및 전도 거동(conduction behavior)를 결정하는 주요 메커니즘(mechanism)에 대한 이해를 기반으로만 도출 가능하나, 해당 메커니즘이 아직까지 알려져 있지 않았기 때문이다.A material such as IGZO may be applied as a switching layer in a memristor device for a neuromorphic computing system. In this case, for high-density array and system level verification, a compact model for applying a memristor device to which a material such as IGZO is applied as a switching layer to an electronic circuit simulation such as SPICE is absolutely necessary. . However, until now, a model for a memristor device to which such IGZO or the like is applied has not been developed. This is because modeling of a memristor device to which IGZO, etc. is applied can only be derived based on an understanding of the main mechanism that determines resistance switching characteristics and conduction behavior, but the mechanism is not known yet. to be.

KRKR 10-2013-006174310-2013-0061743 AA

본 발명은 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에서 멤리스터 소자에 대한 모델 구현이 가능한 모델링 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a modeling method and apparatus capable of implementing a model for a memristor element in an electronic circuit simulation such as SPICE.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 기판 상에 마련된 하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화의 저항 스위칭이 발생하고 하부 전극 상에 마련되며 IGZO를 포함하는 스위칭 물질층과, 스위칭 물질층 상에 마련된 상부 전극을 각각 포함하며, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자에 대한 모델링 방법으로서, SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링하는 단계를 포함한다.In the modeling method of a memristor device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, resistance switching of a resistance change occurs according to an applied voltage between a lower electrode provided on a substrate, and an upper electrode and a lower electrode, A memristor that is provided on the lower electrode and includes a switching material layer including IGZO and an upper electrode provided on the switching material layer, and in which resistance switching occurs according to a change in Schottky barrier height (SBH). A modeling method for a device, comprising: modeling an SBH change as a stretched exponential function (SEF).

상기 멤리스터 소자는 하부 전극과 스위칭 물질층의 계면에 형성된 산소 공공(oxygen vacancy)에 전자가 트래핑/디트래핑(trapping/detrapping)되면서 SBH 변화가 발생할 수 있다.In the memristor device, an SBH change may occur as electrons are trapped/detrapped in an oxygen vacancy formed at an interface between the lower electrode and the switching material layer.

상기 산소 공공의 생성은 하부 전극 상에서 스퍼터링(sputtering)에 의해 스위칭 물질층이 형성될 때의 아르곤 이온 충격(Ar ion bombardment)에 의해 영향을 받을 수 있다.The generation of the oxygen vacancies may be affected by Ar ion bombardment when the switching material layer is formed by sputtering on the lower electrode.

상기 SEF에 따른 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 나타내는 제1 SEF의 식과, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 나타내는 제2 SEF의 식을 포함할 수 있다.The expression according to the SEF may include an expression of a first SEF indicating a change in SBH that increases with time, and an expression of a second SEF indicating a change in SBH that decreases with time.

상기 제1 SEF의 식은 하기 식(2)로 나타낼 수 있고, 상기 제2 SEF의 식은 하기 식(3)으로 나타낼 수 있다.The equation of the first SEF may be expressed by the following equation (2), and the equation of the second SEF may be expressed as the following equation (3).

Figure 112020064358282-pat00001
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Figure 112020064358282-pat00002
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여기서, ΔΦBi는 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화, ΔΦB0i는 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화, t는 시간, τsi 전압 종속 SBH 변화에 대한 셋(SET) 동작에서의 특성 시간 상수(characteristic time constant), τri는 전압 종속 SBH 변화에 대한 리셋(RESET) 동작에서의 특성 시간 상수, βsi SBH 변화에 대한 셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent), βri는 SBH 변화에 대한 리셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent)를 각각 나타내고, i는 1 또는 2로 표시되되 i=1은 V<0인 경우에 상부 전극과 스위칭 물질층의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이며, i=2는 V>0인 경우에 스위칭 물질층과 하부 전극의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이다.where ΔΦ Bi is the time- and voltage-dependent SBH change, ΔΦ B0i is the time- and voltage-dependent maximum SBH change, t is the time, and τ si is the characteristic time constant in the SET operation for the voltage-dependent SBH change ( characteristic time constant), τ ri is the characteristic time constant in the reset (RESET) operation for voltage-dependent SBH changes, β si is the stretching exponent in the set operation for SBH changes, β ri is the reset for SBH changes Each represents a stretching exponent in operation, where i is expressed as 1 or 2, but i=1 is an indication related to the change occurring at the interface between the upper electrode and the switching material layer when V<0, i= 2 is an indication related to the change occurring at the interface between the switching material layer and the lower electrode when V>0.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출을 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘으로 모델링하는 단계를 더 포함할 수 있다.The modeling method of a memristor device according to an embodiment of the present invention further includes modeling the hot electron emission generated from a Schottky contact between a switching material layer and a main electrode as a mechanism in which conduction of the memristor device occurs. can do.

상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극일 수 있다.The main electrode may be an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출을 이용하여 멤리스터 소자에 대한 전류와 SBH의 관계를 모델링하는 단계를 더 포함할 수 있다.The modeling method of a memristor device according to an embodiment of the present invention further includes modeling the relationship between the current and the SBH for the memristor device using thermistor emission generated from the Schottky contact between the switching material layer and the main electrode. can do.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 상기 SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for modeling a memristor device according to an embodiment of the present invention may further include determining a value of a parameter included in the SEF.

상기 결정하는 단계는 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출에 의해 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘을 이용하여 상기 파라미터의 값을 결정할 수 있으며, 상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극일 수 있다.In the determining step, the value of the parameter may be determined by using a mechanism in which conduction of the memristor element is generated by the emission of hot electrons generated in the Schottky contact between the switching material layer and the main electrode, wherein the main electrode is It may be an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode.

상기 결정하는 단계는 상기 열전자 방출을 나타내는 식을 이용하여 시간에 따른 SBH 변화를 도출하여 상기 파라미터의 값을 결정할 수 있다.In the determining, the value of the parameter may be determined by deriving a change in SBH with time using an equation representing the thermionic emission.

상기 열전자 방출을 나타내는 식은 하기 식(1)일 수 있다.The formula representing the hot electron emission may be the following formula (1).

Figure 112020064358282-pat00003
Figure 112020064358282-pat00003

여기서, Imem은 멤리스터 소자(100)에 흐르는 전류, A는 즉, 주요 전극과 스위칭 물질층이 접촉하는 부위의 단면적, A*는 리차드 상수(Richardson constant), T는 절대 온도, kT는 열 에너지, q는 전하, E는 전기장, ΦB는 SBH를 각각 나타낸다.Here, I mem is the current flowing in the memristor element 100, A is the cross-sectional area of the contact area between the main electrode and the switching material layer, A* is the Richardson constant, T is the absolute temperature, kT is the heat Energy, q is electric charge, E is electric field, and Φ B is SBH.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 방법은 상기 멤리스터 소자에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.The modeling method of the memristor device according to an embodiment of the present invention uses the determined parameter value and the conduction characteristic of the memristor according to the hot electron emission for the memristor device, and the current change according to voltage or current according to time It may further include the step of performing a simulation of the change.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 장치는 기판 상에 마련된 하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화의 저항 스위칭이 발생하고 하부 전극 상에 마련되며 IGZO를 포함하는 스위칭 물질층과, 스위칭 물질층 상에 마련된 상부 전극을 각각 포함하며, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자에 대한 모델링 장치로서, SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링한다.In the modeling apparatus of a memristor element according to an embodiment of the present invention, resistance switching of a resistance change occurs according to an applied voltage between a lower electrode provided on a substrate, and an upper electrode and a lower electrode, and is provided on the lower electrode and IGZO A modeling device for a memristor device including a switching material layer including a switching material layer, and an upper electrode provided on the switching material layer, respectively, in which resistance switching occurs according to a change in a Schottky barrier height (SBH), the SBH The change is modeled as a stretched exponential function (SEF).

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 장치는 SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하거나, 기 결정된 상기 파라미터의 값을 저장하고 있거나, 기 결정된 상기 파라미터의 값을 타 장치로부터 수신할 수 있다.The apparatus for modeling a memristor element according to an embodiment of the present invention may determine a value of a parameter included in an SEF, store a predetermined value of the parameter, or receive a predetermined value of the parameter from another device. have.

상기 SEF에 따른 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 나타내는 하기 식(2)과, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 나타내는 하기 식(3)을 포함할 수 있다.The Equation according to the SEF may include Equation (2), which represents a change in SBH that increases with time, and Equation (3) below, which represents a change in SBH that decreases with time.

Figure 112020064358282-pat00004
Figure 112020064358282-pat00004

Figure 112020064358282-pat00005
Figure 112020064358282-pat00005

여기서, ΔΦBi는 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화, ΔΦB0i는 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화, t는 시간, τsi 전압 종속 SBH 변화에 대한 셋(SET) 동작에서의 특성 시간 상수(characteristic time constant), τri는 전압 종속 SBH 변화에 대한 리셋(RESET) 동작에서의 특성 시간 상수, βsi SBH 변화에 대한 셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent), βri는 SBH 변화에 대한 리셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent)를 각각 나타내고, i는 1 또는 2로 표시되되 i=1은 V<0인 경우에 상부 전극과 스위칭 물질층의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이며, i=2는 V>0인 경우에 스위칭 물질층과 하부 전극의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이다.where ΔΦ Bi is the time- and voltage-dependent SBH change, ΔΦ B0i is the time- and voltage-dependent maximum SBH change, t is the time, and τ si is the characteristic time constant in the SET operation for the voltage-dependent SBH change ( characteristic time constant), τ ri is the characteristic time constant in the reset (RESET) operation for voltage-dependent SBH changes, β si is the stretching exponent in the set operation for SBH changes, β ri is the reset for SBH changes Each represents a stretching exponent in operation, where i is expressed as 1 or 2, but i=1 is an indication related to the change occurring at the interface between the upper electrode and the switching material layer when V<0, i= 2 is an indication related to the change occurring at the interface between the switching material layer and the lower electrode when V>0.

상기 파라미터의 값은 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출에 의해 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘을 이용하여 결정될 수 있으며, 상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극일 수 있다.The value of the parameter may be determined using a mechanism in which conduction of the memristor element is generated by hot electron emission generated in a Schottky contact between the switching material layer and the main electrode, wherein the main electrode is a lower electrode and an upper electrode It may be an electrode having a larger work function.

상기 파라미터의 값은 열전자 방출을 나타내는 하기 식(1)을 이용하여 시간에 따른 SBH 변화를 도출함으로써 결정될 수 있다.The value of the parameter can be determined by deriving the change in SBH with time using Equation (1), which represents thermionic emission.

Figure 112020064358282-pat00006
Figure 112020064358282-pat00006

여기서, Imem은 멤리스터 소자(100)에 흐르는 전류, A는 즉, 주요 전극과 스위칭 물질층이 접촉하는 부위의 단면적, A*는 리차드 상수(Richardson constant), T는 절대 온도, kT는 열 에너지, q는 전하, E는 전기장, ΦB는 SBH를 각각 나타낸다.Here, I mem is the current flowing in the memristor element 100, A is the cross-sectional area of the contact area between the main electrode and the switching material layer, A* is the Richardson constant, T is the absolute temperature, kT is the heat Energy, q is electric charge, E is electric field, and Φ B is SBH.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자의 모델링 장치는 상기 멤리스터 소자에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 수행할 수 있다.The apparatus for modeling a memristor element according to an embodiment of the present invention uses the determined parameter value and the conduction characteristic of the memristor according to the hot electron emission for the memristor element, the current change according to voltage or current according to time Change simulations can be performed.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에서 멤리스터 소자에 대한 모델을 정확하면서 간편하게 구현할 수 있어, 고밀도 어레이 및 시스템 레벨 검증 등에 활용될 수 있는 이점이 있다.The present invention configured as described above can accurately and simply implement a model for a memristor element in an electronic circuit simulation such as SPICE, and thus has an advantage that can be utilized for high-density arrays and system-level verification.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 구성을 나타낸다.
도 2는 실제 제작한 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 공정 과정을 나타낸다.
도 3은 제작된 샘플 A 및 B에 대한 회로도와, 측정된 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸다.
도 4는 저항 스위칭의 메커니즘을 나타낸다.
도 5는 제작된 샘플 A 및 B에 대한 선형 피팅 결과(linear fitting result)를 나타낸다.
도 6은 시간에 따른 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH) 변화를 나타낸다.
도 7은 멤리스터 소자(100)의 파라미터가 가지는 상부 전극(TE) 전압에 대한 종속성을 나타낸다.
도 8은 샘플 A 및 B에 대한 측정 결과와, 그에 대한 모델링을 통해 SPICE 시뮬레이션한 결과를 서로 비교한 것을 나타낸다.
1 shows the configuration of a memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.
2 shows a process process of the actually fabricated memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram of the fabricated samples A and B, and the measured current-voltage (IV) characteristics are shown.
4 shows the mechanism of resistance switching.
5 shows the linear fitting results for the manufactured samples A and B.
6 shows a change in Schottky barrier height (SBH) with time.
7 shows the dependence of the parameters of the memristor device 100 on the voltage of the upper electrode TE.
8 shows a comparison between the measurement results for samples A and B and the SPICE simulation results through modeling for them.

본 발명의 상기 목적과 수단 및 그에 따른 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The above object and means of the present invention and its effects will become more apparent through the following detailed description in relation to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily understand the technical idea of the present invention. will be able to carry out In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", “구비하다”, “마련하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular form also includes the plural form as the case may be, unless otherwise specified in the phrase. In this specification, terms such as “include”, “provide”, “provide” or “have” do not exclude the presence or addition of one or more other components other than the mentioned components.

본 명세서에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “또는 B”“및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.In this specification, terms such as “or” and “at least one” may indicate one of the words listed together, or a combination of two or more. For example, “or B” and “at least one of B” may include only one of A or B, or both A and B.

본 명세서에서, “예를 들어” 등에 따르는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.In the present specification, descriptions according to “for example” and the like may not exactly match the information presented, such as recited properties, variables, or values, tolerances, measurement errors, limits of measurement accuracy, and other commonly known factors The embodiments of the present invention according to various embodiments of the present invention should not be limited by effects such as modifications including .

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어’ 있다거나 '접속되어' 있다고 기재된 경우, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.In this specification, when it is described that a certain element is 'connected' or 'connected' to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. It should be understood that there may be On the other hand, when it is mentioned that a certain element is 'directly connected' or 'directly connected' to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '상에' 있다거나 '접하여' 있다고 기재된 경우, 다른 구성요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 '바로 위에' 있다거나 '직접 접하여' 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해될 수 있다. 구성요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, '~사이에'와 '직접 ~사이에' 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.In this specification, when it is described that a certain element is 'on' or 'in contact with' another element, it may be directly in contact with or connected to the other element, but another element may exist in the middle. It should be understood that On the other hand, when it is described that a certain element is 'directly on' or 'directly' of another element, it may be understood that another element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between the elements, for example, 'between' and 'directly between', etc. may be interpreted similarly.

본 명세서에서, '제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 위 용어는 각 구성요소의 순서를 한정하기 위한 것으로 해석되어서는 안되며, 하나의 구성요소와 다른 구성요소를 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다.In this specification, terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various components, but the components should not be limited by the above terms. In addition, the above terms should not be construed as limiting the order of each component, and may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a 'first component' may be referred to as a 'second component', and similarly, a 'second component' may also be referred to as a 'first component'.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein may be used with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 구성을 나타낸다. 1 shows the configuration of a memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)는 저항 스위치(resistive switching, RS)이 가능한 소자로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10), 하부 전극(20), 스위칭 물질층(30) 및 제2전극(40)을 포함할 수 있으며, 이들이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이러한 멤리스터 소자(100)는 하부 전극(20) 및 상부 전극(40)에 의한 2 단자 소자일 수 있다.The memristor device 100 according to an embodiment of the present invention is a device capable of resistive switching (RS), and as shown in FIG. 1 , a substrate 10 , a lower electrode 20 , and a switching material layer 30 and the second electrode 40 may be included, and they may have a structure in which they are sequentially stacked. The memristor device 100 may be a two-terminal device with a lower electrode 20 and an upper electrode 40 .

기판(10)은 나머지 구성을 지지하기 위한 베이스(base)로서, Si으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고농도의 P형 Si(p+ Si)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 기판(10)은 전도성 기판으로 작용할 수 있다.The substrate 10 is a base for supporting the remaining components, and may be made of Si. For example, it may be formed of a high concentration of P-type Si (p + Si). In this case, the substrate 10 may act as a conductive substrate.

하부 전극(bottom electrode, BE)(20)은 전도성 재질을 포함하며, 기판(10) 상에 마련된다. 하부 전극(20)에는 접지(ground) 등의 공통 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(20)은 Cu, Ni, Ti, Hf, Zr, ZN, W, Co, V, Al, Ag, C, Pd, Pt, Mo, ITO 등에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함함 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The bottom electrode (BE) 20 includes a conductive material and is provided on the substrate 10 . A common voltage such as ground may be applied to the lower electrode 20 . For example, the lower electrode 20 includes at least one material selected from Cu, Ni, Ti, Hf, Zr, ZN, W, Co, V, Al, Ag, C, Pd, Pt, Mo, ITO, etc. function, but is not limited thereto.

스위칭 물질층(30)은 산화물 재질을 포함하며, 하부 전극(20) 상에 마련된다. 스위칭 물질층(30)은 스위칭 층(switching layer), 즉 멤리스터 층(memristor layer)으로 작용할 수 있다. 즉, 스위칭 물질층(30)은 제1 및 제2 전극(20, 40) 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화가 발생할 수 있으며, 인가 전압에 따른 변화된 저항 값을 기억하는 특성을 가질 수 있다.The switching material layer 30 includes an oxide material and is provided on the lower electrode 20 . The switching material layer 30 may act as a switching layer, that is, a memristor layer. That is, the switching material layer 30 may have a resistance change according to the applied voltage between the first and second electrodes 20 and 40 , and may have a characteristic of storing the changed resistance value according to the applied voltage.

또한, 스위칭 물질층(30)은 하부 전극(20)과의 계면(interface)과, 상부 전극(40)과의 계면에 각각 쇼트키 장벽(Schottky Barrier, SB)을 형성할 수 있다. 이러한 쇼트키 장벽은 일종의 터널 장벽(tunnel barrier)으로 작용할 수 있다. 이때, 스위칭 물질층(30)은 산소 함유에 따라 유효(effective) SB 높이(Schottky Barrier height, SBH)(ΦB)에 영향을 주어 다양한 저항 스위칭(resistive switching, RS)가 가능하도록 산소 함유 금속산화물 재질을 포함할 수 있다.In addition, the switching material layer 30 may form a Schottky barrier (SB) at an interface with the lower electrode 20 and an interface with the upper electrode 40 , respectively. Such a Schottky barrier may act as a kind of tunnel barrier. At this time, the switching material layer 30 affects the effective SB height (Schottky Barrier height, SBH) (Φ B ) according to the oxygen content so that various resistive switching (RS) is possible. material may be included.

예를 들어, 스위칭 물질층(30)은 트랜지스터와 메모리를 하나의 재료를 활용하여 집적(monolithic integration)이 가능한 IGZO, ITZO, IWZO, ZSO, IZO, IGO 등의 3원소 이상의 금속산화물 재질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, IGZO 재료는 플렉서블 기판에 제작될 수 있으며, 각각 멤리스터 및 박막 트랜지스터 (thin-film transistor)에서 RS와 활성 필름(active film)으로 작동할 수 있다. 이것은 시냅스 어레이뿐 아니라 뉴런을 포함한 주변 회로를 하나의 재료를 활용하는 집적(monolithic integration)으로 통합하는 것이 가능하다는 것을 시사한다. For example, the switching material layer 30 may include a metal oxide material of three or more elements, such as IGZO, ITZO, IWZO, ZSO, IZO, and IGO, capable of integrating a transistor and a memory using a single material. However, the present invention is not limited thereto. In particular, the IGZO material can be fabricated on a flexible substrate, and can act as RS and active film in memristors and thin-film transistors, respectively. This suggests that it is possible to integrate synaptic arrays as well as peripheral circuits, including neurons, into monolithic integration using a single material.

다만, 스위칭 물질층(30)이 해당 3원소 이상의 금속산화물 재질, 특히 IGZO인 경우, 멤리스터 소자(100)의 저항 스위칭 특성 및 전도 거동(conduction behavior)를 결정하는 메커니즘(mechanism)은 아직까지 알려져 있지 않았다. 이에 따라, 본 발명에서는 후술할 멤리스터 소자(100)에 대한 메커니즘의 이해를 기반으로, 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에서의 해당 멤리스터 소자(100)에 대한 모델링을 구현하고자 한다.However, when the switching material layer 30 is made of a metal oxide material of three or more elements, particularly IGZO, the mechanism for determining the resistance switching characteristics and conduction behavior of the memristor device 100 is still known. there wasn't Accordingly, in the present invention, based on an understanding of the mechanism of the memristor element 100 to be described later, it is intended to implement modeling of the corresponding memristor element 100 in an electronic circuit simulation such as SPICE.

상부 전극(top electrode, TE)(40)은 전도성 재질을 포함하며, 스위칭 물질층(30) 상에 마련된다. 상부 전극(40)에는 하부 전극(20)을 기준으로 VTE 만큼의 전위차를 가지는 전압이 공급될 수 있다. 즉, VTE는 하부 전극(20)가 접지에 연결된 경우에 상부 전극(40)에 공급되는 전압으로도 지칭될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(40)은 Cu, Ni, Ti, Hf, Zr, ZN, W, Co, V, Al, Ag, C, Pd, Pt, Mo, ITO 등에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함함 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.A top electrode (TE) 40 includes a conductive material and is provided on the switching material layer 30 . A voltage having a potential difference of V TE with respect to the lower electrode 20 may be supplied to the upper electrode 40 . That is, V TE may also be referred to as a voltage supplied to the upper electrode 40 when the lower electrode 20 is connected to the ground. For example, the upper electrode 40 includes at least one material selected from Cu, Ni, Ti, Hf, Zr, ZN, W, Co, V, Al, Ag, C, Pd, Pt, Mo, ITO, etc. function, but is not limited thereto.

한편, 상부 전극(40) 상에는 전도성 보호층(미도시)이 마련될 수 있다. 즉, 전도성 보호층은 전도성 재질을 포함하며, 상부 전극(40) 상에 상부 전극(40)을 보호하도록 마련된다. 이때, 전도성 보호층은 공기 중에서 상부 전극(40)의 산화를 방지하도록 금속 반응성이 낮으면서, 인가 전압에 따른 전하 흐름을 원활하게 하는 높은 전도성의 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 전도성 보호층(50)은 Au, Pt, Ag 등에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, a conductive protective layer (not shown) may be provided on the upper electrode 40 . That is, the conductive protective layer includes a conductive material and is provided on the upper electrode 40 to protect the upper electrode 40 . In this case, it may be preferable that the conductive protective layer be made of a high-conductivity metal material that has a low metal reactivity to prevent oxidation of the upper electrode 40 in air and facilitates charge flow according to an applied voltage. For example, the conductive protective layer 50 may include at least one material selected from Au, Pt, Ag, and the like, but is not limited thereto.

<멤리스터(100) 제작><Production of Memristor (100)>

도 2는 실제 제작한 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 공정 과정을 나타낸다.2 shows a process process of the actually fabricated memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.

멤리스터 소자(100)의 저항 스위칭 특성 및 전도 거동을 결정하는 메커니즘 이해를 위한 실험을 위해, 도 2의 공정 과정에 따라 멤리스터 소자(100)를 실제 제작하였다 이때, 도 2(a) 내지 도 2(d)는 기판(10), 하부 전극(20), 스위칭 물질층(30) 및 상부 전극(40)이 차례로 형성되는 과정을 나타내고, 도 2(e)는 도 2(a) 내지 도 2(d)에 따라 형성된 멤리스터 소자(100a)(이하, “샘플 A”라 지칭함)를 나타내며, 도 2(f)는 도 2(a) 내지 도 2(d)에 따르되 하부 전극(20)과 상부 전극(40)의 재료가 서로 바뀌게 형성된 멤리스터 소자(100b)(이하, “샘플 B”라 지칭함)을 나타낸다.For an experiment to understand the mechanism for determining the resistance switching characteristics and conduction behavior of the memristor element 100, the memristor element 100 was actually manufactured according to the process of FIG. 2 . At this time, FIGS. 2(a) to 2(d) shows a process in which the substrate 10, the lower electrode 20, the switching material layer 30, and the upper electrode 40 are sequentially formed, and FIG. 2(e) is shown in FIGS. 2(a) to 2 A memristor element 100a (hereinafter referred to as “Sample A”) formed according to (d) is shown, and FIG. 2(f) is a lower electrode 20 according to FIGS. 2(a) to 2(d) and A memristor element 100b (hereinafter, referred to as “Sample B”) formed in which the material of the upper electrode 40 is exchanged is shown.

이하, 편의를 위해, 도면 및 설명의 샘플 A 및 B에서, 기판(10)은 생략 또는 Si로 표시될 수 있되, 하부 전극(20)은 BE 또는 해당 재료(즉, Mo 또는 Pd)로, 상부 전극(40)은 TE 또는 해당 재료(즉, Pd 또는 Mo)로, 스위칭 물질층(30)은 IGZO로 각각 표시될 수 있다. 또한, 멤리스터 소자(100)는 그 스택에 따라 TE/IGZO/BE로 표시될 수 있다. 즉, 샘플 A는 Pd(TE)/IGZO/Mo(BE)로, 샘플 B는 Mo(TE)/IGZO/Pd(BE)로 각각 표시될 수 있다.Hereinafter, for convenience, in Samples A and B of the drawings and description, the substrate 10 may be omitted or denoted as Si, while the lower electrode 20 is made of BE or a corresponding material (ie, Mo or Pd), and the upper The electrode 40 can be denoted by TE or a corresponding material (ie, Pd or Mo), and the switching material layer 30 can be denoted by IGZO, respectively. Also, the memristor device 100 may be denoted as TE/IGZO/BE depending on its stack. That is, sample A may be represented by Pd(TE)/IGZO/Mo(BE), and sample B may be represented by Mo(TE)/IGZO/Pd(BE), respectively.

구체적으로, 샘플 A 및 B를 다음과 같이 제작하였다. 먼저, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, Si 기판(10)을 준비 및 세척하였다. 이때, 도핑 농도가 2x1019cm-3이고 비저항(resistivity)이 0.005 Ω·cm인 p+-Si 기판(10)을 준비하고 다음 공정을 위해 초기 세정하였다. 이어서, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 전자빔 증착(E-beam evaporation)을 수행하여 약 100nm 두께의 Mo의 BE가 Si 기판 상에 증착되었다(deposited). 물론, 도 2(f)에 따른 샘플 B에서는 Pd의 BE가 증착되었다. 이어서, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 스퍼터링(sputtering)를 수행하여 약 80nm 두께의 IGZO를 증착시켰다. 이때, 기체 혼합물은 Ar/O2=3sccm/2sccm이었고, 해당 증착 공정 동안의 RF 전력은 150W이었다. 이어서, 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 섀도우 마스크(shadow mask)(M)를 이용한 전자빔 증착을 다시 수행하여 약 100nm 두께의 Pd의 TE가 IGZO 상에 증착되었다. 물론 도 2(f)에 따른 샘플 B에서는 Mo의 BE가 증착되었다.Specifically, samples A and B were prepared as follows. First, as shown in FIG. 2( a ), a Si substrate 10 was prepared and washed. At this time, a p + -Si substrate 10 having a doping concentration of 2x10 19 cm -3 and a resistivity of 0.005 Ω·cm was prepared and initially cleaned for the next process. Then, as shown in FIG. 2( b ), BE of Mo having a thickness of about 100 nm was deposited on the Si substrate by performing E-beam evaporation. Of course, in sample B according to Fig. 2(f), BE of Pd was deposited. Then, as shown in Figure 2 (c), sputtering (sputtering) was performed to deposit a thickness of about 80nm IGZO. At this time, the gas mixture was Ar/O 2 =3sccm/2sccm, and the RF power during the deposition process was 150W. Then, as shown in FIG. 2( d ), electron beam deposition using a shadow mask (M) was performed again to deposit about 100 nm thick TE of Pd on the IGZO. Of course, in sample B according to Fig. 2(f), BE of Mo was deposited.

제작된 샘플 A 및 B에 대한 전기적 특성을 분석하기 위해 Keithley-4200 반도체 특성화 시스템(Tektronix)을 사용하였으며, 실온 및 어두운 조건에서 DC 전류-전압(I-V) 특성을 측정하였다. 이때, 모든 측정에서, BE는 접지(0V)에 연결되었고, -9V 내지 9V 전압 범위의 VTE가 TE에 인가되었으며, 고장 방지를 위해 컴플라이언스 전류(compliance current)는 100nA로 설정하였다. 이때, TE에 인가된 전압 VTE는 단순히 “V”로 표시될 수 있으며, 해당 V에 따라 IGZO를 통해 흐르는 전류는 “Imem” 또는 단순히 “I”로 표시될 수 있다.To analyze the electrical properties of the fabricated samples A and B, a Keithley-4200 semiconductor characterization system (Tektronix) was used, and DC current-voltage (IV) properties were measured at room temperature and dark conditions. At this time, in all measurements, BE was connected to ground (0V), and V TE in a voltage range of -9V to 9V was applied to TE, and the compliance current was set to 100nA to prevent failure. At this time, the voltage V TE applied to the TE may be simply expressed as “V”, and the current flowing through the IGZO according to the V may be expressed as “I mem ” or simply “I”.

<전류 특성과 물리적 동작(current characteristics and behavioral physics)><current characteristics and behavioral physics>

멤리스터 소자(100)에 대한 고정밀의 SPICE 컴팩트 모델을 구현하기 위해서는 멤리스터 소자(100)의 저항 스위칭(RS) 및 전도 거동의 메커니즘에 대한 이해가 선행되어야 한다.In order to implement a high-precision SPICE compact model for the memristor element 100 , an understanding of the mechanisms of resistance switching (RS) and conduction behavior of the memristor element 100 must be preceded.

도 3은 제작된 샘플 A 및 B에 대한 회로도와, 측정된 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸다. 즉, 도 3(a) 및 도 3(c)는 샘플 A 및 B의 각 회로도를 나타내고, 도 3(b) 및 도 3(d)는 샘플 A 및 B에 대해 5회 반복된 DC 스위프(sweep)에 따라 측정된 각 I-V 특성을 나타낸다. 다만, 도 3(b) 및 도 3(d)에서, 각 측정 결과는 선형 스케일로 표시되되, 다른 DC 스위프(sweep)에 대해서 다른 색상으로 표시된다.3 is a circuit diagram for the fabricated samples A and B, and the measured current-voltage (I-V) characteristics are shown. That is, FIGS. 3(a) and 3(c) show the respective circuit diagrams of samples A and B, and FIGS. 3(b) and 3(d) are DC sweeps repeated 5 times for samples A and B. ), each IV characteristic measured according to However, in FIGS. 3(b) and 3(d) , each measurement result is displayed in a linear scale, but is displayed in a different color for different DC sweeps.

먼저, 전도 거동의 물리적 특성을 이해하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 제작된 샘플 A 및 B에 대한 I-V 특성이 획득되었다. 샘플 A 및 B는 양(positive)의 VTE와 음(negative)의 VTE에서 각각 셋(SET) 및 리셋(RESET) 동작을 수행하는 것으로 나타났다.First, in order to understand the physical properties of conduction behavior, IV properties were obtained for the fabricated samples A and B, as shown in FIG. 3 . Samples A and B were found to perform SET and RESET operations at positive V TE and negative V TE , respectively.

계면 산화물층(interfacial oxide layer)이 금속 전극과 산화물(스위칭 층) 사이(즉, TE/IGZO 사이와 IGZO/BE 사이)에 각각 형성될 가능성이 높다. 이때, 전극의 금속 종류에 따른 일함수(work function)가 낮을수록 그 산화에 대해서도 보다 낮은 형성 에너지(lower formation energy)를 가지는 경향이 있다. 이러한 산화 공정은 멤리스터 소자(100)의 동작 동안 그 인가된 전압에 따른 전기장에 의해 가속 또는 감속될 수 있다. 더 풍부한 산소 공공(oxygen vacancy)의 계면층은 상대적으로 높은 일함수의 Pd(약 5.22 ~ 5.6 eV)를 가진 Pd/IGZO의 계면(interface) 보다는 상대적으로 낮은 일함수의 Mo(약 4.36 ~ 4.95 eV)를 가진 Mo/IGZO의 계면에서 보다 쉽게 형성될 수 있다. 스위칭 층인 IGZO는 이러한 산소 공공이 풍부한 계면층(즉, Mo/IGZO의 계면층)에 의해 다수의 전자 포획/방출 트랩(electron capture/emission trap) 또는 이온화된 산소 공공을 획득할 수 있다. 이에 따라, Mo과 IGZO의 계면에서의 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)는 전자 트래핑/디트래핑(trapping/de-trapping)에 의해 변조(변화)되거나(modulated), 이온화된 산소 공공 수의 변화에 의해 변조될 수 있다. 이러한 프로세스(process)는 셋 또는 리셋이 수행되는 동안에 아날로그 시냅스 동작으로 이어질 수 있다.It is highly likely that an interfacial oxide layer is respectively formed between the metal electrode and the oxide (switching layer) (ie, between TE/IGZO and between IGZO/BE). In this case, as the work function according to the type of metal of the electrode is lower, it tends to have a lower formation energy for oxidation thereof. This oxidation process may be accelerated or decelerated by an electric field according to an applied voltage during operation of the memristor element 100 . The interfacial layer of more abundant oxygen vacancy has a relatively low work function Mo (about 4.36 ~ 4.95 eV) than the interface of Pd/IGZO with a relatively high work function Pd (about 5.22 ~ 5.6 eV). ) can be more easily formed at the interface of Mo/IGZO with IGZO, which is a switching layer, can obtain a large number of electron capture/emission traps or ionized oxygen vacancies by an interfacial layer rich in oxygen vacancies (ie, an interfacial layer of Mo/IGZO). Accordingly, the Schottky barrier height (SBH) at the interface between Mo and IGZO is modulated (modulated) by electron trapping/de-trapping, or the number of ionized oxygen vacancies. can be modulated by a change in This process may lead to an analog synaptic operation while a set or reset is being performed.

TE에 양(positive)의 바이어스(vias)가 적용되는 경우, 전자 디트래핑이 IGZO/BE 계면에서 발생하고, 음(negative)으로 대전된 산소 이온이 IGZO/BE 계면에서 TE로 이동한다. TE 및 BE가 양전하로 대전된 산소 공공에 의해 연결되면서 낮은 저항 상태(low-resistance state, LRS)가 설정될 수 있다. 반면, TE에 음의 바이어스가 적용되는 경우, 해당 프로세스는 상술한 것과 정반대로 발생하며 높은 저항 상태(high-resistance state, HRS)가 설정될 수 있다.When a positive bias is applied to the TE, electron detrapping occurs at the IGZO/BE interface, and negatively charged oxygen ions migrate from the IGZO/BE interface to the TE. A low-resistance state (LRS) may be established as TE and BE are connected by positively charged oxygen vacancies. On the other hand, when a negative bias is applied to the TE, the process occurs in the opposite direction to that described above, and a high-resistance state (HRS) may be established.

다만, 저항 스위칭의 메커니즘은 이러한 재료 조합의 이유만으로 발생하는 것이 아니다. 즉, IGZO/BE 계면과 TE/IGZO 계면이 서로 다른 계면 상태를 가지는 더 근본적인 이유는 공정 기술(processing technique)에 있다. 하부에 마련된 IGZO/BE 계면은 BE 상에서 수행된 IGZO 스퍼터링에 의해 형성된다. 반면, 상부에 마련된 TE/IGZO 계면은 IGZO 상에서 수행된 TE의 전자빔 증착에 의해 형성된다. 특히, 스퍼터링에 의해 BE 상에 IGZO가 증착되는 동안, 소스로부터 재스퍼터링된(re-sputtered) 아르곤 이온(Ar ion)이 타겟의 표면 특성을 교차(alternating)하는 효과, 즉 아르곤 이온 충격 효과(Ar ion bombardment)가 발생한다. 이로 인해, 도 3(b)와 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 단지 DC 스위프의 극성 변경만으로는 BE 및 TE의 금속 재료가 교환된 샘플 A 및 B에 대한 각 I-V 곡선이 서로 동일하게 나타나지 않는다.However, the mechanism of resistance switching does not occur solely due to the combination of these materials. That is, the more fundamental reason that the IGZO/BE interface and the TE/IGZO interface have different interface states lies in the processing technique. The IGZO/BE interface provided at the bottom is formed by IGZO sputtering performed on the BE. On the other hand, the TE/IGZO interface provided thereon is formed by electron beam deposition of TE performed on IGZO. In particular, while IGZO is deposited on the BE by sputtering, the effect of re-sputtered Ar ions from the source alternating the surface properties of the target, that is, the argon bombardment effect (Ar ion bombardment) occurs. Due to this, as shown in Figs. 3(b) and 3(d), only by changing the polarity of the DC sweep, the respective IV curves for samples A and B in which the metallic materials of BE and TE were exchanged appear identical to each other. does not

도 4는 저항 스위칭의 메커니즘을 나타낸다. 즉, 도 4(a)는 이온 전도(ionic conduction)에 대한 개략도, 도 4(b)는 산소 공공에 의한 쇼트키 장벽 높이 조절의 개략도, 도 4(c)는 높은 컴플라이언스 전류에서의 샘플 A의 I-V 특성, 도 4(d)는 높은 컴플라이언스 전류에서의 샘플 B의 I-V 특성을 각각 나타낸다.4 shows the mechanism of resistance switching. That is, Fig. 4(a) is a schematic diagram of ionic conduction, Fig. 4(b) is a schematic diagram of Schottky barrier height adjustment by oxygen vacancies, and Fig. 4(c) is a schematic diagram of Sample A at high compliance current. IV characteristic, Fig. 4(d) shows the IV characteristic of sample B at high compliance current, respectively.

상술한 저항 스위칭의 메커니즘에 대해서는 도 4(a)와 도 4(b)에서 개략적으로 나타낸다. 이 두 가지 메커니즘 중에서 더 지배적인 메커니즘은 높은 컴플라이언스 전류(compliance current)를 갖는 DC 스위프에서의 측정 결과에 의해 결정될 수 있다. 즉, 컴플라이언스 전류가 높을수록 IGZO/BE 계면에서 전자의 트래핑/디트래핑(trapping/de-trapping) 및 산소 이온 이동이 가속화될 수 있다. 도 4(c) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 컴플라이언스 전류가 높은 경우, 샘플 A 및 B는 모두 양의 TE 전압 영역에서 셋 동작만이 관찰된다. 반면, 샘플 A에서만이 음의 TE 전압에서 셋 및 리셋 동작이 모두 관찰된다. 이러한 상보적 스위칭(complementary switching)의 경우, 둘 이상의 스위칭 층을 갖는 소자(device)에 기반한 크로스 어레이(cross array)에서 스니크 전류(sneak current)를 효과적으로 억제할 수 있는 이점이 있다. 제조된 샘플 A 및 B의 저항 스위칭 동작에서, 산소 이온 이동이 유일한 메커니즘이라면, 상보적 스위칭은 관찰되지 않았을 것이다. 전자 트래핑 및 디트래핑으로 인해, 저항 스위칭 동작이 IGZO/BE 및 TE/IGZO 계면층 모두에서 발생한 것이다. 즉, 샘플 A에서는 Pd/IGZO(TE/IGZO) 계면에 높은 SBH가 형성되고, IGZO/Mo(IGZO/BE) 계면에 이온 충격 효과가 발생한다. 따라서, 저항 스위칭 특성은 샘플 A에서 모든 계면(즉, TE/IGZO 계면 및 IGZO/BE 게면)에서 강할 수 있다. 반면, 샘플 B에서는 IGZO/Pd(IGZO/BE) 계면에 높은 SBH가 나타나면서 이온 충격 효과(도 발생하여, SBH 변화(modulation)가 셋 동작(SET process) 동안 더욱 증가될 수 있다. 그 결과, 샘플 A에서만이 높은 SBH 및 이온 충격 효과가 서로 다른 계면(TE/IGZO 계면 및 IGZO/BE 계면))에 적용되어 해당 상보적 스위칭 특성이 나타난다.The above-described resistance switching mechanism is schematically shown in Figs. 4(a) and 4(b). Of these two mechanisms, the more dominant one can be determined by the measurement results in a DC sweep with a high compliance current. That is, as the compliance current increases, electron trapping/de-trapping and oxygen ion migration at the IGZO/BE interface may be accelerated. As shown in Figs. 4(c) and 4(d), when the compliance current is high, in both samples A and B, only a set operation is observed in the positive TE voltage region. On the other hand, only in sample A, both set and reset operations are observed at this negative TE voltage. In the case of such complementary switching, there is an advantage in that a sneak current can be effectively suppressed in a cross array based on a device having two or more switching layers. In the resistive switching operation of prepared samples A and B, if oxygen ion migration was the only mechanism, complementary switching would not have been observed. Due to electron trapping and detrapping, resistive switching behavior occurred in both the IGZO/BE and TE/IGZO interfacial layers. That is, in Sample A, high SBH is formed at the Pd/IGZO (TE/IGZO) interface, and an ion bombardment effect occurs at the IGZO/Mo (IGZO/BE) interface. Therefore, the resistance switching characteristic can be strong at all interfaces (ie, TE/IGZO interface and IGZO/BE interface) in sample A. On the other hand, in sample B, a high SBH appears at the IGZO/Pd(IGZO/BE) interface, and an ion bombardment effect (also occurs, so that the SBH modulation can be further increased during the SET process. As a result, Only in sample A, high SBH and ion bombardment effects were applied to different interfaces (TE/IGZO interface and IGZO/BE interface), resulting in corresponding complementary switching characteristics.

도 5는 제작된 샘플 A 및 B에 대한 선형 피팅 결과(linear fitting result)를 나타낸다. 즉, 도 5(a)는 제작된 샘플 A에 대한 해당 결과, 도 5(b)는 제작된 샘플 B에 대한 해당 결과를 각각 나타낸다.5 shows the linear fitting results for the manufactured samples A and B. That is, FIG. 5(a) shows the corresponding result for the manufactured sample A, and FIG. 5(b) shows the corresponding result for the manufactured sample B, respectively.

제조된 샘플 A 및 B에서, 전도 거동의 메커니즘을 이해하기 위해, 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 세미 로그 스케일(semi-logarithmic scale)의 선형 피팅(linear fitting)이 수행되었다. 멤리스터 소자(100)의 전도 거동에 관련 가능한 메커니즘은 열전자 방출(thermionic emission), Poole-Frenkel(PF) 방출, 옴 전도(Ohmic conduction) 및 공간 전하 제한 전도(space charge-limited conduction, SCLC)로 각각 분류될 수 있다. 다만, 도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 제조된 샘플 A 및 B는 V 및 V2에 각각 비례하는 옴 전도 및 SCLC 보다는, 열전자 방출 및 PF 방출을 더 따르는 것으로 판단된다. 열전자 방출은 큰 에너지 장벽과 함께 발생하므로, 유전체와 같이 트랩 결함 영역(trap-deficient region)에서 관찰될 가능성이 높다. 한편, PF 방출은 트랩 부위(trap site), 즉 전도 매체 사이의 캐리어 호핑(hopping) 현상으로 분석된다. 도 5(a)와 도 5(b)의 슬로프(slope)는 유효 공핍 폭(effective depletion width)이 BE 상에 증착된 IGZO의 두께보다 작은 것을 나타낸다. 상술한 측정 결과와 그 물리적인 특성에 따라 후술할 각 수학식이 선택 및 구체화되어 콤팩트 모델링에 적용될 수 있다.In the prepared samples A and B, in order to understand the mechanism of conduction behavior, as shown in Figs. 5(a) and 5(b), linear fitting of semi-logarithmic scale This was done. Possible mechanisms involved in the conduction behavior of the memristor device 100 are thermionic emission, Poole-Frenkel (PF) emission, Ohmic conduction, and space charge-limited conduction (SCLC). Each can be classified. However, referring to FIGS. 5A and 5B , it is determined that the prepared samples A and B follow thermionic emission and PF emission more than the ohmic conduction and SCLC proportional to V and V 2 , respectively. Since thermionic emission occurs with a large energy barrier, it is likely to be observed in trap-deficient regions, such as dielectrics. On the other hand, PF emission is analyzed as a trap site, that is, carrier hopping between conductive media. 5(a) and 5(b) show that the effective depletion width is smaller than the thickness of the IGZO deposited on the BE. According to the above-described measurement result and its physical characteristics, each of the following equations may be selected and specified to be applied to compact modeling.

<멤리스터 소자(100)의 컴팩트 모델링(Compact modeling)><Compact modeling of the memristor device 100>

상술한 측정 결과와 물리적 특성에서 도출된 전도 거동의 주요 메커니즘은 IGZO와 Pd(즉, 보다 큰 일함수의 금속을 가진 전극) 사이의 쇼트키 접촉(Schottky contact)에서 발생하는 열전자 방출(thermionic emission)이다. 이러한 멤리스터 소자(100)의 I-V 특성은 쇼트키 장벽 높이(SBH) 저하 효과에 따라 다음의 식(1)로 나타낼 수 있다.The main mechanism of conduction behavior derived from the above-described measurement results and physical properties is thermionic emission that occurs at the Schottky contact between IGZO and Pd (that is, an electrode with a higher work function metal). to be. The I-V characteristic of the memristor device 100 may be expressed by the following Equation (1) according to the Schottky barrier height (SBH) lowering effect.

Figure 112020064358282-pat00007
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여기서, Imem은 멤리스터 소자(100)에 흐르는 전류를 나타내고, A는 멤리스터 소자(100)의 단면적을 나타낸다. 또한, A*는 리차드 상수(Richardson constant), T는 절대 온도, kT는 열 에너지, q는 전자 전하, E는 전기장, ΦB는 SBH를 각각 나타낸다. 정확도가 높은 SPICE 컴팩트 모델을 위해, 멤리스터 소자(100)의 전도 및 저항 스위칭의 메커니즘과 함께 SBH 변화가 해당 모델에 반영되어야 한다. 저항 스위칭의 메커니즘인 트랩 결함 부위(trap defect site)에서의 전자 트래핑/디트래핑을 고려하기 위해, 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)를 다음의 식(2) 및 식(3)에 사용하였다. 식(2)은 시간에 따른 SBH의 증가(increasing)를 나타내며, 식(3)은 시간에 따른 SBH의 감소(decreasing)를 나타낸다.Here, I mem represents a current flowing through the memristor device 100 , and A represents a cross-sectional area of the memristor device 100 . In addition, A* is a Richardson constant, T is absolute temperature, kT is thermal energy, q is an electronic charge, E is an electric field, and Φ B is SBH, respectively. For the SPICE compact model with high accuracy, the SBH change along with the mechanism of conduction and resistance switching of the memristor element 100 should be reflected in the corresponding model. In order to consider electron trapping/detrapping at trap defect sites, which is the mechanism of resistance switching, a stretched exponential function (SEF) is used in the following equations (2) and (3). did Equation (2) represents an increase in SBH with time, and Equation (3) represents a decrease in SBH over time.

Figure 112020064358282-pat00008
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Figure 112020064358282-pat00009
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여기서, ΔΦBi는 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화를 나타내며, ΔΦB0i는 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화를 나타낸다. t는 시간(present time spot)을 나타내고, τsi 및 τri는 전압 종속 SBH 변화에 대한 셋 및 리셋 동작에서의 각 특성 시간 상수(characteristic time constant)를 나타내며, βsi 및 βri는 SBH 변화에 대한 셋 및 리셋 동작에서의 각 스트레칭 지수(stretching exponent)를 나타낸다. i=1은 V<0인 경우에 TE/IGZO 계면에서 발생하는 변조(변화)와 관련이 있고, i=2는 V>0인 경우에 IGZO/BE 계면에서 발생하는 변조와 관련이 있다. 또한, τsi 및 βsi는 셋 동작의 파라미터(parameter)이며, τri 및 βri는 리셋 동작의 파라미터이다. 식(2)와 (3)은 비준정적인(non-quasi-static) SBH의 실시간 업데이트를 제공하지 않지만, 측정에 따른 시간 종속 SBH 변화가 알려질 경우, 특정 순간에서의 SBH의 값을 획득하는데 사용될 수 있다. 따라서, SBH의 실시간 업데이트는 원래의 식(2) 및 (3)을 (4) 및 (5)로 각각 변경함으로써 획득될 수 있다.Here, ΔΦ Bi represents the time- and voltage-dependent SBH change, and ΔΦ B0i represents the time- and voltage-dependent maximum SBH change. t denotes a present time spot, τ si and τ ri denote characteristic time constants in set and reset operations for voltage-dependent SBH changes, and β si and β ri denote SBH changes. Each of the stretching exponents in the set and reset operations for each is indicated. i=1 is related to the modulation (change) occurring at the TE/IGZO interface when V<0, and i=2 is related to the modulation (change) occurring at the IGZO/BE interface when V>0. Also, τ si and β si are parameters of a set operation, and τ ri and β ri are parameters of a reset operation. Equations (2) and (3) do not provide a real-time update of the non-quasi-static SBH, but if the measurement-dependent time-dependent SBH change is known, it can be used to obtain the value of the SBH at a specific instant can Therefore, the real-time update of the SBH can be obtained by changing the original equations (2) and (3) to (4) and (5), respectively.

Figure 112020064358282-pat00010
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Figure 112020064358282-pat00011
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여기서, Δ는 시뮬레이션이 수행되는 시간들 간의 시간 간격을 나타내며, V는 TE에 인가된 전압을 나타낸다. 그 결과, t까지의 시간 이력(time history)을 고려하여 t에서의 실시간 SBH 변화를 획득할 수 있다. 공정 시퀀스(process sequence)에 종속하는 멤리스터 소자(100)의 물리적 동작을 SPICE 콤팩트 모델에 반영하여 신뢰성을 높이려면, 먼저 모델 파라미터를 준비해야 한다. 즉, 전도 거동을 모델링하기 위해, 재료 특성, 소자 치수(device critical dimension), 온도 파라미터 및 수학적으로 추출된 유효 공핍 폭이 이용될 수 있다. 또한, 저항 스위칭 동작을 모델링하기 위해, 주어진 인가 전압 하의 과도 전류 분석(transient current analysis)으로부터 해석된 시간 종속 SBH 변화 특성(time-dependent SBH modulation characteristic)이 이용될 수 있다. 이러한 모델 파라미터는 식(2) 및 식(3)과, 이들의 차등 형태(differential form)인 식(4) 및 식(5)에 의해 추출될 수 있다.Here, Δ denotes a time interval between times during which simulations are performed, and V denotes a voltage applied to TE. As a result, the real-time SBH change at t can be obtained by considering the time history up to t. In order to improve reliability by reflecting the physical operation of the memristor element 100 dependent on the process sequence in the SPICE compact model, model parameters must first be prepared. That is, material properties, device critical dimensions, temperature parameters and mathematically extracted effective depletion widths can be used to model the conduction behavior. In addition, to model the resistance switching operation, a time-dependent SBH modulation characteristic analyzed from a transient current analysis under a given applied voltage can be used. These model parameters can be extracted by equations (2) and (3) and their differential forms, equations (4) and (5).

도 6은 시간에 따른 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH) 변화를 나타낸다. 도 6(a)는 샘플 A에 5V, 3.9V, 4.2V 및 4.5V의 각 TE 전압이 5초 동안 인가된 경우의 SBH 변화를 나타내고, 도 6(b)는 샘플 A에서 -0.1V, -0.2V, -0.3V 및 -0.4V의 각 TE 전압이 0.4초 동안 인가된 경우의 SBH 변화를 나타낸다. 또한, 도 6(c)는 샘플 B에 3.5V, 3.9V, 4.2V 및 4.5V의 각 TE 전압이 5초 동안 인가된 경우의 SBH 변화를 나타내고, 도 6(d)는 샘플 B에 -0.1V, -0.2V, -0.3V 및 -0.4V의 각 TE 전압이 60ms 동안 인가된 경우의 SBH 변화를 나타낸다.6 shows a change in Schottky barrier height (SBH) with time. 6(a) shows the SBH change when each TE voltage of 5V, 3.9V, 4.2V, and 4.5V is applied to Sample A for 5 seconds, and FIG. 6(b) is -0.1V, - Shows the SBH change when each TE voltage of 0.2V, -0.3V, and -0.4V is applied for 0.4 seconds. 6(c) shows the SBH change when each TE voltage of 3.5V, 3.9V, 4.2V, and 4.5V is applied to sample B for 5 seconds, and FIG. 6(d) is -0.1 to sample B Shows the SBH change when each TE voltage of V, -0.2V, -0.3V, and -0.4V was applied for 60 ms.

즉, 도 6(a) 내지 도 6(d)는 각 인가 전압에 따라 측정된 시간 종속 전류(time-dependent current)에 대해 식(1)을 이용해 변환한 시간 종속 SBH 변화(time-dependent SBH change)(ΔΦ)를 나타낸다. 이러한 SBH 변화를 도출하기 위해 이용한 식(6)은 다음과 같으며, 해당 식(6)은 식(1)로부터 변환된 식이다.That is, FIGS. 6(a) to 6(d) show a time-dependent SBH change converted using Equation (1) for a time-dependent current measured according to each applied voltage. ) (ΔΦ). Equation (6) used to derive this SBH change is as follows, and the corresponding Equation (6) is a converted expression from Equation (1).

Figure 112020064358282-pat00012
Figure 112020064358282-pat00012

도 6(a) 내지 도 6(d)의 결과에 기반하여, 식(2) 및 (3)의 전압 종속 파라미터(voltage-dependent parameter)는 재귀 피팅 프로세스(recursive fitting process)에 의해 추출될 수 있다.Based on the results of Figs. 6(a) to 6(d), the voltage-dependent parameters of equations (2) and (3) can be extracted by a recursive fitting process .

셋 동작이 발생하는 양의 전압 영역에서 TE 전압에 따라 SBH가 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 음의 전압 영역에서는 SBH가 TE 전압에 따라 거의 변하지 않는다. 따라서, 식(2) 및 식(4)에 표현된 양의 TE 전압 영역의 파라미터는 전압 종속성을 갖도록 추출된 반면, 식(3) 및 식(5)에 표현된 음의 TE 전압 영역의 파라미터는 전압 종속성을 갖지 않도록 추출되었다.It was found that SBH increased according to the TE voltage in the positive voltage region where the set operation occurred. On the other hand, in the negative voltage region, SBH hardly changes with the TE voltage. Therefore, the parameters in the positive TE voltage region expressed in equations (2) and (4) are extracted to have voltage dependence, whereas the parameters in the negative TE voltage region expressed in equations (3) and (5) are It was extracted to have no voltage dependence.

도 7은 멤리스터 소자(100)의 파라미터가 가지는 상부 전극(TE) 전압에 대한 종속성을 나타낸다.7 shows the dependence of the parameters of the memristor device 100 on the voltage of the upper electrode TE.

즉, 도 7(a)는 샘플 A의 TE 전압에 대한 SBH 관계, 도 7(b)는 샘플 A의 TE 전압에 대한 스트레칭 지수(stretching exponent)(β)의 관계, 도 7(c)는 샘플 A의 TE 전압에 대한 특성 시간 상수(characteristic time constant)(τ) 관계를 각각 나타낸다. 또한, 도 7(d), 도 7(e) 및 도(f)는 샘플 B의 TE 전압에 대한 각 동일 파라미터의 관계를 각각 나타낸다.That is, FIG. 7(a) is the SBH relationship for the TE voltage of sample A, FIG. 7(b) is the relationship between the stretching exponent (β) for the TE voltage of the sample A, and FIG. 7(c) is the sample A characteristic time constant (τ) relationship to the TE voltage of A is shown, respectively. 7(d), 7(e), and (f) respectively show the relationship of each same parameter with respect to the TE voltage of the sample B. As shown in FIG.

즉, 도 6(a) 내지 도 6(d)의 측정 결과로부터 실험적으로 얻어진 ln(SBH), βi 및 ln(τi)는, 도 7(a) 내지 도 7(f)에 도시된 바와 같이, DC의 TE 전압에 대한 함수로 나타낼 수 있다. 이때, ln(SBH) 및 ln(τi)는 TE 전압과 선형 관계를 가지고 있음을 알 수 있다. 반면, β는 TE 전압에 대하여 일정한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 따라, TE 전압인 V에 대한 ln(SBH) 및 ln(τi)의 선형 관계는 다음 식(7) 및 (8)과 같이 모델링될 수 있다.That is, ln(SBH), β i and ln(τ i ) experimentally obtained from the measurement results of FIGS. 6(a) to 6(d) are as shown in FIGS. 7(a) to 7(f). Likewise, it can be expressed as a function of DC to TE voltage. In this case, it can be seen that ln(SBH) and ln(τ i ) have a linear relationship with the TE voltage. On the other hand, it can be seen that β has a constant value with respect to the TE voltage. Accordingly, the linear relationship between ln(SBH) and ln(τ i ) with respect to the TE voltage, V, can be modeled as the following equations (7) and (8).

Figure 112020064358282-pat00013
Figure 112020064358282-pat00013

Figure 112020064358282-pat00014
Figure 112020064358282-pat00014

여기서, αi는 SBH의 지수 증분 속도(exponentially incremental speed)에 관련된 계수이고, ΔΦB00i는 TE 전압이 0V인 경우의 ΔΦB0i(즉, 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화)이다. 하기의 표 1은 상술한 수학식 및 방법에 따라 추출된 모델 파라미터를 요약한 것이다.Here, α i is a coefficient related to the exponentially incremental speed of SBH, and ΔΦ B00i is ΔΦ B0i when the TE voltage is 0V (ie, the maximum SBH change dependent on time and voltage). Table 1 below summarizes the model parameters extracted according to the above-described equations and methods.

파라미터parameter 샘플 A (Pd/IGZO/Mo)Sample A (Pd/IGZO/Mo) 샘플 B (Mo/IGZO/Pd)Sample B (Mo/IGZO/Pd) 단위(Unit)Unit AA 30,00030,000 2 μm 2 TT 300300 KK A*A* 40.840.8 -- B01 (HRS/LRS, V<0)B01 (HRS/LRS, V<0) 0.94/0.780.94/0.78 0.84/0.780.84/0.78 eV/eVeV/eV B02 (HRS/LRS, V>0)B02 (HRS/LRS, V>0) 0.98/0.860.98/0.86 0.76/0.720.76/0.72 eV/eVeV/eV εIGZO ε IGZO 0.3540.354 pF/cmpF/cm XT1/XT2 X T1 /X T2 25/1025/10 13/1013/10 NmNm qΔΦB00s20s2 qΔΦ B00s20s2 89/1589/15 32.8/7.132.8/7.1 meV/smeV/s αs2s2 α s2s2 0.075/-0.5080.075/-0.508 0.243/-0.4830.243/-0.483 V-1/V-1 V -1 /V -1 qΔΦB00s10s1 qΔΦ B00s10s1 49/1549/15 12.8/7.112.8/7.1 meV/smeV/s αs1s1 α s1s1 0.075/-0.5080.075/-0.508 0.243/-0.4830.243/-0.483 V-1/V-1 V -1 /V -1 βs β s 0.650.65 0.60.6 -- τ0rr τ 0rr 0.15/0.70.15/0.7 0.008/0.50.008/0.5 s/-s/-

표 1에서, “/”는 좌우의 각 파라미터를 구분하는 표시이다. 각 파라미터에 대한 정의를 다시 정리하면 다음과 같다.A: 멤리스터의 단면적으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, TE(40) 와 스위칭 물질층(30)이 접촉하는 부위의 단면적In Table 1, “/” is a mark to distinguish each parameter on the left and right. The definition of each parameter is summarized as follows. A: A cross-sectional area of a memristor, as shown in FIG. 1, a cross-sectional area of a portion where the TE 40 and the switching material layer 30 come into contact

T: 해당 샘플의 절대 온도 T: the absolute temperature of the sample

A*: IGZO의 리차드 상수(Richardson constant)A*: Richardson constant of IGZO

q: 전자 전하q: electronic charge

ΦB01: V<0인 경우에 TE와 IGZO 사이의 유효 SBHΦ B01 : Effective SBH between TE and IGZO when V<0

ΦB02: V>0인 경우에 BE와 IGZO 사이의 유효 SBHΦ B02 : Effective SBH between BE and IGZO when V>0

εIGZO: IGZO의 투자율ε IGZO : Permeability of IGZO

XT1: TE 계면 근처의 IGZO에서의 유효 공핍 폭X T1 : effective depletion width in IGZO near the TE interface

XT2: BE 계면 근처의 IGZO에서의 유효 공핍 폭X T2 : effective depletion width in IGZO near the BE interface

ΔΦB0s1: 셋 동작 동안 TE와 IGZO 사이의 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화ΔΦ B0s1 : time- and voltage-dependent SBH change between TE and IGZO during set operation

ΔΦB0s2: 셋 동작 동안 BE와 IGZO 사이의 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화ΔΦ B0s2 : time- and voltage-dependent SBH change between BE and IGZO during set operation

τ0s1: 셋 동작 동안 TE와 IGZO 사이의 SBH 변조에 대한 특성 시간 상수(characteristic time constant)τ 0s1 : characteristic time constant for SBH modulation between TE and IGZO during set operation

τ0s2: 셋 동작 동안 BE와 IGZO 사이의 SBH에 대한 특성 시간 상수τ 0s2 : characteristic time constant for SBH between BE and IGZO during set operation

τ0r: 리셋 동작 동안 SBH에 대한 특성 시간 상수 (τ0r1 = τ0r2)τ 0r : characteristic time constant for SBH during reset operation (τ 0r1 = τ 0r2 )

αs1: 셋 동작 동안 전압과 ΔΦB01 사이의 관계에 대한 지수 계수(exponential coefficient)α s1 : exponential coefficient for the relationship between voltage and ΔΦ B01 during set operation

αs2: 셋 동작 동안 전압과 ΔΦB02 사이의 관계에 대한 지수 계수α s2 : exponential coefficient for the relationship between voltage and ΔΦ B02 during set operation

γs1: 셋 동작 동안 전압과 τ0s1 사이의 관계에 대한 지수 계수γ s1 : exponential coefficient for the relationship between voltage and τ 0s1 during set operation

γs2: 셋 동작 동안 전압과 τ0s2 사이의 관계에 대한 지수 계수γ s2 : exponential coefficient for the relationship between voltage and τ 0s2 during set operation

βs: 셋 동작 동안 ΔΦBi의 스트레칭 지수(Stretching exponent) (βs1 = βs2)β s : Stretching exponent of ΔΦ Bi during set operation (β s1 = β s2 )

βr: 리셋 동작 동안 ΔΦBi의 스트레칭 지수 (βr1 = βr2)β r : Stretching index of ΔΦ Bi during reset operation (β r1 = β r2 )

Mo 및 Pd에 대한 서로 다른 증착 순서를 갖는 샘플 A 및 샘플 B로부터 추출된 파라미터 값이 검증되었다. 추출된 SBH 값은 0.7eV 내지 1.0eV의 범위였다. 실험적으로 얻어진 Pd의 일함수 및 IGZO의 전자 친화도는 각각 약 5.3eV 및 약 4.3eV로서, 약 1.0eV의 차이가 난다. 따라서, 열전자 방출을 제어하는 추출된 SBH가 물리적으로 합리적인 값에 속한다는 것이 확인되었다. 샘플 A의 V>0에서의 SBH(qΦB02)는 샘플 B의 V>0에서의 SBH(qΦB02)보다 크다. 이는 IGZO/BE 계면에 Ar 이온 충격이 더 큰 영향을 미치기 때문이다. 전도 특성은 Pd와 IGZO 사이의 계면에 의해 크게 결정되므로, Mo/IGZO/Pd 스택을 갖는 샘플 B는 IGZO/Pd 계면에서 더 높은 트랩 밀도를 가지고, 결과적으로 IGZO/BE 계면에서의 'TE 인가 전압(DC 전압)에 따른 SBH의 변화', 즉 'α'가 커진다.The parameter values extracted from samples A and B with different deposition sequences for Mo and Pd were verified. The extracted SBH values ranged from 0.7 eV to 1.0 eV. The experimentally obtained work function of Pd and the electron affinity of IGZO are about 5.3 eV and about 4.3 eV, respectively, with a difference of about 1.0 eV. Therefore, it was confirmed that the extracted SBH, which controls thermionic emission, belongs to a physically reasonable value. Sample A's SBH at V>0 (qΦ B02 ) is greater than Sample B's SBH at V>0 (qΦ B02 ). This is because Ar ion bombardment has a greater effect on the IGZO/BE interface. Since the conduction properties are largely determined by the interface between Pd and IGZO, sample B with Mo/IGZO/Pd stack has a higher trap density at the IGZO/Pd interface, and consequently the 'TE applied voltage at the IGZO/BE interface. The change in SBH according to (DC voltage)', that is, 'α' becomes large.

이때, 샘플 A의 α가 샘플 B의 α보다 작은 이유는 다음과 같다. 즉, 상술한 바와 같이, 샘플 A에서는 상보적인 스위칭 특성이 발생하기 때문에, 샘플 A는 V>0V에서 IGZO/BE 계면에서의 SBH 감소가 나타날 때 TE/IGZO 계면에서의 SBH 증가가 발생된다. 이때, SBH의 증가가 발생되었다는 것은 TE에서 인가된 전압이 SBH가 작을 때 대비 IGZO/BE 계면에 상대적으로 덜 인가되는 것을 의미하므로, 샘플 A에서는 IGZO/BE에서의 SBH 변화가 덜 발생된다.At this time, the reason why α of sample A is smaller than α of sample B is as follows. That is, as described above, since complementary switching characteristics occur in Sample A, Sample A exhibits a decrease in SBH at the IGZO/BE interface at V>0V, and an increase in SBH at the TE/IGZO interface occurs. At this time, since the increase in SBH means that the voltage applied at the TE is relatively less applied to the IGZO/BE interface compared to when the SBH is small, the SBH change in IGZO/BE is less generated in Sample A.

이러한 이유로, 산화된 금속 전극과 IGZO 스위칭 층 사이의 계면(interface)에 대한 형성 에너지(formation energy)가 멤리스터 소자(100)의 특성에 영향을 먼저 미치지만, Ar 이온 충격(즉, 증착 처리 시퀀스)(deposition processing sequence)이 전도 및 스위칭 동작을 결정하는데 더 지배적인 영향을 미치는 것으로 결론지을 수 있다. For this reason, although the formation energy for the interface between the oxidized metal electrode and the IGZO switching layer affects the properties of the memristor device 100 first, Ar ion bombardment (i.e., the deposition process sequence) It can be concluded that ) (deposition processing sequence) has a more dominant influence on determining conduction and switching behavior.

한편, 표 1을 참조하면, 샘플 A의 IGZO/BE 계면에서의 SBH 변화(qΔΦB02, qΔΦB00s2)가 샘플 B의 IGZO/BE 계면에서의 SBH 변화(qΔΦB02, qΔΦB00s2) 보다 크며, 샘플 A의 TE/IGZO 계면에서의 SBH 변화(qΔΦB01, qΔΦB00s1)가 샘플 B의 TE/IGZO 계면에서의 SBH 변화(qΔΦB01, qΔΦB00s1) 보다 크다. 이는 샘플 A에서, Pd/IGZO(TE/IGZO)의 SBH가 IGZO/Mo(IGZO/BE)의 SBH보다 크고, SBH가 큰 Pd/IGZO(TE/IGZO)에 Ar ion bombardment 효과가 없기 때문이다. 그 결과, 샘플 A는 샘플 B 보다 트랩 농도가 낮으며, 이에 따라 SBH 변화가 샘플 B 보다 크다.Meanwhile, referring to Table 1, the SBH change at the IGZO/BE interface of Sample A (qΔΦ B02 , qΔΦ B00s2 ) is larger than the SBH change at the IGZO/BE interface of Sample B (qΔΦ B02 , qΔΦ B00s2 ), and Sample A The SBH change at the TE/IGZO interface of (qΔΦ B01 , qΔΦ B00s1 ) is larger than the SBH change at the TE/IGZO interface of sample B (qΔΦ B01 , qΔΦ B00s1 ). This is because, in Sample A, the SBH of Pd/IGZO (TE/IGZO) is larger than the SBH of IGZO/Mo (IGZO/BE), and there is no Ar ion bombardment effect in Pd/IGZO (TE/IGZO) with a large SBH. As a result, sample A has a lower trap concentration than sample B, and thus the SBH change is larger than sample B.

표 1에서, XT1 및 XT2는 각각 TE 및 BE 계면 근처의 IGZO에서의 유효 공핍 폭으로서, 하기 식(9)와 같이 나타낼 수 있다.In Table 1, X T1 and X T2 are effective depletion widths in IGZO near the TE and BE interfaces, respectively, and can be expressed as Equation (9) below.

Figure 112020064358282-pat00015
Figure 112020064358282-pat00015

하기의 표 2는 멤리스터 소자(100)에 대한 Verilog-A 모델을 나타낸다.Table 2 below shows the Verilog-A model for the memristor device 100 .

// Verilog-A code of SPICE compact model.
// Schottky barrier modulation
// Voltage-dependent tau (Increasing in the SBH)
tau_s_TE = tau_s_TE0 × exp(γ1 × Vapp);
tau_s_BE = tau_s_BE0 × exp(γ2 × Vapp);
// Increasing in the SBH
Delta_SBH_TE = ((Delta_SBH_TE0 × exp(αs1 × Vapp))-SBH_TE) × pow(Δt/tau_s_TE, βs1);
Delta_SBH_BE = ((Delta_SBH_BE0 × exp(αs2 × Vapp))-SBH_BE) × pow(Δt/tau_s_BE, βs2);
// Decreasing in the SBH
Delta_SBH_TE = (SBH_TE) × pow(Δt/tau_r_BE, βr1);
Delta_SBH_BE = (SBH_BE) × pow(Δt/tau_r_BE, βr2);
// Update the SBH
SBH_TE = SBH_TE + Delta_SBH_TE;
SBH_BE = SBH_BE + Delta_SBH_BE;
// Thermionic emission
if(Vapp > 0) begin
Imem = A × A*×pow(T, 2) × exp((SBH_BE-sqrt(q × Vapp/(4πεXT)))/(kT/q)); end
else begin
Imem = A × A*×pow(T, 2) × exp((SBH_TE-sqrt(q × sqrt(Vapp)/(4πεXT)))/(kT/q)); end
// Verilog-A code of SPICE compact model.
// Schottky barrier modulation
// Voltage-dependent tau (Increasing in the SBH)
tau_s_TE = tau_s_TE0 × exp(γ1 × Vapp);
tau_s_BE = tau_s_BE0 × exp(γ2 × Vapp);
// Increasing in the SBH
Delta_SBH_TE = ((Delta_SBH_TE0 × exp(αs1 × Vapp))-SBH_TE) × pow(Δt/tau_s_TE, βs1);
Delta_SBH_BE = ((Delta_SBH_BE0 × exp(αs2 × Vapp))-SBH_BE) × pow(Δt/tau_s_BE, βs2);
// Decreasing in the SBH
Delta_SBH_TE = (SBH_TE) × pow(Δt/tau_r_BE, βr1);
Delta_SBH_BE = (SBH_BE) × pow(Δt/tau_r_BE, βr2);
// Update the SBH
SBH_TE = SBH_TE + Delta_SBH_TE;
SBH_BE = SBH_BE + Delta_SBH_BE;
// Thermionic emission
if(Vapp > 0) begin
Imem = A × A*×pow(T, 2) × exp((SBH_BE-sqrt(q × Vapp/(4πεXT)))/(kT/q)); end
else begin
Imem = A × A*×pow(T, 2) × exp((SBH_TE-sqrt(q × sqrt(Vapp)/(4πεXT)))/(kT/q)); end

식(9)에서, ND는 IGZO의 도핑 농도이다. 식(9)에서 알 수 있듯이, XT는 금속 전극과 반도체(IGZO) 사이의 SBH 뿐 아니라, 반도체(IGZO)의 도핑 농도에도 종속한다. 식(9)로부터 SBH가 높아질수록 XT가 증가하며, 도핑 농도가 높아질수록 XT가 줄어든다. Ar 충격에 의해 IGZO/BE 계면에 산소공공(VO)이 채워져 IGZO의 도핑 농도가 국부적으로 증가한다. 결과적으로, 샘플 A 및 B는 모두 XT1 보다 작은 XT2를 갖되, 서로 동일 또는 유사한 값의 XT2를 갖는다. 또한, 샘플 B가 샘플 A보다 작은 XT1을 갖는 것으로 확인되었다. 이는 샘플 B가 샘플 A보다 초기 SBH가 작기 때문에 식(9)에 따라 샘플 B의 XT가 샘플 A의 XT 보다 작다. 식(1) 내지 식(9)는 SBH 변화 효과와 함께 시간 및 전압이 연속적으로 업데이트되는 멤리스터 소자(100)를 통한 비준정적인(non-quasi-static) 전류의 특성을 모델링하기 위해 고려되었다. 모든 식은 표 2에 요약된 파라미터와 함께 Verilog-A로 코딩될 수 있으며, SPICE 컴팩트 모델로 공급될 수 있다.In equation (9), ND is the doping concentration of IGZO . As can be seen from Equation (9), X T depends not only on the SBH between the metal electrode and the semiconductor (IGZO), but also on the doping concentration of the semiconductor (IGZO). From Equation (9), as SBH increases, X T increases, and as doping concentration increases, X T decreases. Oxygen vacancies ( VO ) are filled at the IGZO/BE interface by Ar impact, and the doping concentration of IGZO increases locally. Consequently, samples A and B both have X T2 less than X T1 , but with X T2 equal to or similar to each other. It was also confirmed that sample B had a smaller X T1 than sample A. This is because sample B has a smaller initial SBH than sample A, so X T of sample B is smaller than X T of sample A according to equation (9). Equations (1) to (9) were considered to model the characteristics of a non-quasi-static current through the memristor device 100 in which time and voltage are continuously updated with the SBH change effect. . All equations can be coded in Verilog-A with the parameters summarized in Table 2 and supplied as a SPICE compact model.

도 8은 샘플 A 및 B에 대한 측정 결과와, 그에 대한 모델링을 통해 SPICE 시뮬레이션한 결과를 서로 비교한 것을 나타낸다. 즉, 도 8(a)는 샘플 A의 DC 전압 스위프에 따른 전류-전압 특성 비교, 도 8(b)는 샘플 A의 DC 전압 스위프에 따른 전류-시간 특성 비교, 도 8(c)는 샘플 B의 DC 전압 스위프에 따른 전류-전압 비교, 도 8(d)는 샘플 B의 DC 전압 스위프에 따른 전류-시간 특성 비교를 각각 나타낸다. 8 shows a comparison between the measurement results for samples A and B and the SPICE simulation results through modeling for them. That is, FIG. 8(a) is a comparison of current-voltage characteristics according to DC voltage sweep of Sample A, FIG. 8(b) is a comparison of current-time characteristics according to DC voltage sweep of Sample A, and FIG. 8(c) is Sample B A comparison of current-voltage according to a DC voltage sweep of , FIG. 8( d ) shows a comparison of current-time characteristics according to a DC voltage sweep of sample B, respectively.

도 8에 도시된 바와 같이, 샘플 A 및 B에 대한 측정 결과와, 그에 대한 모델링을 통해 SPICE 시뮬레이션한 결과를 비교하였다. 이때, DC 전압 스위프는 양의 방향 스위프의 경우에 -9V에서 9V로, 다시 음의 방향 스위프의 경우에 9V에서 -9V로 설정되었으며, 그 각각의 스위프 속도는 2V/s 및 -2V/s로 설정되었다. 모든 파라미터는 20ms 시간 간격으로 지속적으로 업데이트된다. 총 18초 동안의 전류 변화는 도 8(b) 및 도 8(d)에 도시되어 있다. 본 발명에 따라 개발된 모델은, 도 8(a) 내지 도 8(d)에 도시된 바와 같이, 샘플 A 및 B에 대한 측정 결과를 높은 정확도로 재구성하는데 성공하였다.As shown in FIG. 8 , the measurement results for samples A and B and the SPICE simulation results through modeling were compared. At this time, the DC voltage sweep was set from -9V to 9V for the positive direction sweep and from 9V to -9V for the negative direction sweep again, and the respective sweep rates were 2V/s and -2V/s. has been set All parameters are continuously updated at 20ms time intervals. The current change for a total of 18 seconds is shown in FIGS. 8(b) and 8(d). The model developed according to the present invention succeeded in reconstructing the measurement results for samples A and B with high accuracy, as shown in FIGS. 8(a) to 8(d).

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 모델링 방법에 대한 순서도를 나타낸다.9 is a flowchart illustrating a modeling method of the memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.

이러한 멤리스터 소자(100)의 모델링 방법은 상술한 내용에 따른 과정을 따르며, 이러한 과정을 다시 정리하면 다음의 요약 내용과 같다.The modeling method of the memristor device 100 follows the process according to the above description, and the process is summarized as follows.

<요약 내용><Summary>

1) 저항 스위칭과 전도의 각 주요 메커니즘 파악1) Identify each major mechanism of resistance switching and conduction

- 저항 스위칭 메커니즘: 전자 트래핑/디트래핑과 Ar ion bombardment- Resistance switching mechanism: electronic trapping/detrapping and Ar ion bombardment

- 전도 메커니즘: IGZO와 Pd(즉, 보다 큰 일함수의 금속을 가진 전극) 사이의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출- Conduction mechanism: thermionic emission from the Schottky contact between IGZO and Pd (i.e., an electrode with a metal with a higher work function)

2) 전도 메커니즘인 IGZO와 Pd 사이의 열전자 방출을 식(1)로 표현2) The thermionic emission between IGZO and Pd, which is a conduction mechanism, is expressed by Equation (1).

3) 저항 스위칭의 메커니즘에 따른 SBH 변화를 반영하기 위해(즉, 트랩 결함 부위에서의 전자 트래핑/디트래핑을 고려하기 위해), SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)의 식(2) 및 식(3)로 표현3) In order to reflect the SBH change according to the resistance switching mechanism (that is, to consider the electron trapping/detrapping at the trap defect site), the SBH change is calculated using the formula of the stretched exponential function (SEF) ( 2) and Expression (3)

4) SBH의 실시간 업데이트를 표현하기 위해, 식(2) 및 (3)를 각각 식(4) 및 (5)로 변형4) In order to express the real-time update of SBH, equations (2) and (3) are transformed into equations (4) and (5), respectively.

5) 샘플 A 및 B에 대해, 5V, 3.9V, 4.2V 및 4.5V의 각 TE 전압이 5초 동안 인가된 경우의 전류와, -0.1V, -0.2V, -0.3V 및 -0.4V의 각 TE 전압이 0.4초 동안 인가된 경우의 전류를 실제 측정5) For samples A and B, the current when each TE voltage of 5V, 3.9V, 4.2V and 4.5V was applied for 5 seconds, and the current of -0.1V, -0.2V, -0.3V and -0.4V Actual measurement of current when each TE voltage is applied for 0.4 seconds

6) 측정된 5)의 전압/전류를 식(1)의 변형인 식(6)에 대입하여, 시간에 따른 SBH의 변화를 도출6) Substitute the measured voltage/current of 5) into Equation (6), which is a modification of Equation (1), to derive the change in SBH with time

7) 도출된 6)의 시간에 따른 SBH 변화를 식(2) 및 (3)에 대입하여, 식(2) 및 (3)의 파라미터 값을 추출: 즉, 샘플 A 및 B에 따른 ΔΦB0i, τsi, τri, βsi, βri의 각 값 추출7) Substituting the derived SBH change with time in 6) into equations (2) and (3) to extract the parameter values of equations (2) and (3): that is, ΔΦ B0i according to samples A and B, Extracting each value of τ si , τ ri , β si , β ri

8) 즉, SBH 변화를 식(2)와 식(3)에 대입하여, 각 전압에 따른 ΔΦB0, τ를 식(7)과 식(8)의 함수로 적용하여 식(4) 및 식(5)에 대입8) That is, by substituting the SBH change into Equations (2) and (3), ΔΦ B0 , τ according to each voltage is applied as a function of Equations (7) and (8) to Equations (4) and ( 5) substituting

9) 추가적으로, 식(9)를 이용하여 IGZO에서의 유효 공핍 폭을 도출9) Additionally, using Equation (9), we derive the effective depletion width in IGZO

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 모델링 방법은 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션에서 멤리스터 소자(100)에 대한 모델을 정확하면서 간편하게 구현하기 위한 방법으로서, 도 9에 도시된 바와 같이, S100 내지 S300을 포함할 수 있다.That is, the modeling method of the memristor element 100 according to an embodiment of the present invention is a method for accurately and conveniently implementing a model for the memristor element 100 in an electronic circuit simulation such as SPICE. As shown in 9, it may include S100 to S300.

S100에서, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자(100)에 대해, 해당 저항 스위칭 메커니즘을 이용하여, SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링할 수 있다.In S100, for the memristor device 100 in which resistance switching occurs according to a change in the Schottky barrier height (SBH), using the corresponding resistance switching mechanism, the SBH change is expressed as a stretched exponential function (stretched exponential) function, SEF).

이때, 멤리스터 소자(100)는 저항 스위칭 매커니즘에 따라, 하부 전극(20)과 스위칭 물질층(30)의 계면에 형성된 산소 공공(oxygen vacancy)에 전자가 트래핑/디트래핑(trapping/detrapping)되면서 SBH 변화가 발생할 수 있다. 특히, 산소 공공의 생성은 하부 전극(20) 상에서 스퍼터링(sputtering)에 의해 스위칭 물질층(30)이 형성될 때의 아르곤 이온 충격(Ar ion bombardment)에 의해 영향을 받을 수 있다.At this time, in the memristor device 100 according to the resistance switching mechanism, electrons are trapped/detrapped in oxygen vacancy formed at the interface between the lower electrode 20 and the switching material layer 30 . SBH changes may occur. In particular, the generation of oxygen vacancies may be affected by Ar ion bombardment when the switching material layer 30 is formed by sputtering on the lower electrode 20 .

이러한 저항 스위칭 매커니즘에 따라, SEF의 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 나타내는 제1 SEF의 식과, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 나타내는 제2 SEF의 식을 포함할 수 있다. 즉, 제1 SEF의 식은 식(2)로 나타낼 수 있고, 제2 SEF의 식은 식(3)으로 나타낼 수 있다. 또한, 식(2) 및 식(3)는 SBH의 실시간 업데이트를 표현하기 위해, 식 식(4) 및 (5)로 각각 변형될 수 있다.According to such a resistance switching mechanism, the expression of SEF may include an expression of a first SEF representing an SBH change that increases with time, and an expression of a second SEF representing a change of an SBH that decreases with time. That is, the equation of the first SEF may be expressed as Equation (2), and the equation of the second SEF may be expressed as Equation (3). In addition, equations (2) and (3) can be transformed into equations (4) and (5), respectively, to express real-time update of the SBH.

또한, S100에서, 멤리스터 소자(100)의 주요 전도(conduction) 메커니즘은 스위칭 물질층(30)과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출로 모델링할 수 있다. 즉, 멤리스터 소자(100)에 대한 전류와 SBH의 관계를 열전자 방출을 나타내는 식(1)으로 표현할 수 있으며, 이에 대한 변형은 식(6)이다. 이때, “주요 전극”이란 하부 전극(20) 및 상부 전극(40) 중 더 큰 일함수를 가진 금속의 전극을 지칭할 수 있다.Also, in S100 , the main conduction mechanism of the memristor device 100 may be modeled as thermionic emission generated from the Schottky contact between the switching material layer 30 and the main electrode. That is, the relationship between the current and the SBH for the memristor device 100 can be expressed by Equation (1) representing the hot electron emission, and a modification thereof is Equation (6). In this case, the “main electrode” may refer to a metal electrode having a larger work function among the lower electrode 20 and the upper electrode 40 .

한편, S200에서, SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정할 수 있다. 구체적으로, 멤리스터 소자의 주요 전도(conduction) 메커니즘, 즉 스위칭 물질층(30)과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출을 이용하여 해당 파라미터의 값을 결정할 수 있다. Meanwhile, in S200 , a value of a parameter included in the SEF may be determined. Specifically, the value of the corresponding parameter may be determined using the main conduction mechanism of the memristor element, that is, thermionic emission generated from the Schottky contact between the switching material layer 30 and the main electrode.

즉, 열전자 방출을 나타내는 식을 이용하여 시간에 따른 SBH 변화를 도출하여 파라미터의 값을 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 열전자 방출을 나타내는 식은 식(1)이며, 이에 대한 변형은 식(6)이다.That is, it is possible to determine the value of the parameter by deriving the change in SBH with time using an equation representing the hot electron emission. As described above, the expression representing the hot electron emission is Equation (1), and a modification thereof is Equation (6).

이때, 기 측정된 샘플(예를 들어, 샘플 A 및 B)에 대해, 다양한 TE 전압에 따른 전류를 측정하여, 식(1) 또는 식(6)에 대입하여, 시간에 따른 SBH의 변화를 도출할 수 있다. 이와 같이 도출된 시간에 따른 SBH 변화를 식(2) 및 (3)에 대입하여, 식(2) 및 (3)의 파라미터 값을 추출할 수 있다. 즉, SBH 변화를 식(2)와 식(3)에 대입하여, 각 전압에 따른 ΔΦB0, τ를 식(7)과 식(8)의 함수로 적용하여 식(4) 및 식(5)에 대입할 수 있다. 또한, 식(9)를 이용하여 IGZO에서의 유효 공핍 폭을 도출할 수 있다.At this time, for pre-measured samples (eg, samples A and B), currents according to various TE voltages are measured and substituted in Equation (1) or (6) to derive the change in SBH with time can do. By substituting the derived SBH change according to time into Equations (2) and (3), the parameter values of Equations (2) and (3) can be extracted. That is, by substituting the SBH change into Equations (2) and (3), ΔΦ B0 , τ according to each voltage is applied as a function of Equations (7) and (8) to obtain Equations (4) and (5) can be substituted into In addition, the effective depletion width in IGZO can be derived using Equation (9).

S300에서, 멤리스터 소자(100)에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 다양한 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 예를 들어, 멤리스터 소자(100)에 대해, 도 8에 도시된 바와 같이, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 식(1) 등을 이용하여 수행하여, 해당 값 또는 그 그래프를 모델링 장치(200)의 표시부(220)에 표시하거나 타 장치에 전송할 수 있다. 그 외에도, S300에서는 결정된 각 파라미터의 값 또는 그 그래프를 모델링 장치(200)의 표시부(220)에 표시하거나 타 장치에 전송할 수 있다.In S300 , various simulations may be performed with respect to the memristor device 100 using the determined parameter value and the conduction characteristics of the memristor according to the hot electron emission. For example, with respect to the memristor element 100, as shown in FIG. 8, a simulation of a current change according to voltage or a current change according to time is performed using Equation (1), and the corresponding value or its value The graph may be displayed on the display unit 220 of the modeling device 200 or transmitted to another device. In addition, in S300 , the determined value of each parameter or a graph thereof may be displayed on the display unit 220 of the modeling apparatus 200 or transmitted to another apparatus.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 모델링 장치(200)의 대략적인 블록 구성도를 나타낸다. 10 is a schematic block diagram of a modeling apparatus 200 of a memristor device 100 according to an embodiment of the present invention.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 모델링 장치(200)는 전자 장치일 수 있으며, 상술한 멤리스터 소자(100)의 모델링 방법을 수행할 수 있다. 이때, 전자 장치는 컴퓨팅이 가능한 장치로서, 예를 들어, 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 태블릿 PC(tablet personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 스마트폰(smart phone), 스마트패드(smart pad), PDA(personal digital assistant), 서버 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, the modeling apparatus 200 of the memristor element 100 according to an embodiment of the present invention may be an electronic device, and may perform the above-described modeling method of the memristor element 100 . In this case, the electronic device is a device capable of computing, for example, a desktop personal computer (PC), a laptop personal computer (PC), a tablet personal computer (PC), a netbook computer (netbook computer), a smart phone (smart phone). phone), a smart pad, a personal digital assistant (PDA), a server, or the like, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자(100)의 모델링 장치(200)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 입력부(210), 표시부(220), 저장부(230), 통신부(240), 제어부(250) 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 10 , the modeling apparatus 200 of the memristor element 100 according to an embodiment of the present invention includes an input unit 210 , a display unit 220 , a storage unit 230 , and a communication unit 240 . , a control unit 250 and the like.

입력부(210)는 각종 정보를 입력 받는 구성이다. 즉, 입력부(210)는 사용자의 입력에 대응하여, 입력데이터를 발생시킨다. 입력부(210)는 적어도 하나의 입력수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력부(210)는 키보드(key board), 키패드(key pad), 각종 스위치(switch), 터치패널(touch panel), 터치 키(touch key), 마우스(mouse), 또는 메뉴 버튼(menu button) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 입력부(210)는 전류/전압에 대한 측정 값, 각종 파라미터 값, 모델링에 관련된 정보 등을 입력 받을 수 있다.The input unit 210 is configured to receive various types of information. That is, the input unit 210 generates input data in response to a user's input. The input unit 210 may include at least one input means. For example, the input unit 210 may include a keyboard, a keypad, various switches, a touch panel, a touch key, a mouse, or a menu button ( menu button), but is not limited thereto. In particular, the input unit 210 may receive current/voltage measurement values, various parameter values, information related to modeling, and the like.

표시부(220)는 모델링 장치(200)의 동작에 따른 표시데이터를 표시하는 구성이다. 예를 들어, 표시부(220)는 액정 디스플레이(LCD; liquid crystal display), 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED; organic LED) 디스플레이, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro electro mechanical systems) 디스레이, 또는 전자 종이(electronic paper) 디스플레이 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 표시부(220)는 입력부(210)와 결합되어 터치 스크린(touch screen) 등으로 구현될 수도 있다.The display unit 220 is configured to display display data according to the operation of the modeling apparatus 200 . For example, the display unit 220 may include a liquid crystal display (LCD), a light emitting diode (LED) display, an organic light emitting diode (OLED) display, and a micro electromechanical system (MEMS). mechanical systems) may include a display, an electronic paper display, or the like, but is not limited thereto. Also, the display unit 220 may be combined with the input unit 210 to be implemented as a touch screen or the like.

저장부(230)는 각종 정보를 저장하는 구성이다. 즉, 저장부(230)는 측정 장치(100)의 동작에 필요한 각종 정보, 소프트웨어 등을 저장할 수 있다. 특히, 저장부(230)는 제어부(250)에서 처리하기 위해 필요한 정보, 제어부(250)에서 산출된 정보 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(230)는 그 유형에 따라 하드디스크 타입(hard disk type), 마그네틱 매체 타입(Sagnetic media type), CD-ROM(compact disc read only memory), 광기록 매체 타입(Optical Media type), 자기-광 매체 타입(Sagneto-optical media type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Sultimedia card micro type), 플래시 저장부 타입(flash memory type), 롬 타입(read only memory type), 또는 램 타입(random access memory type) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 저장부(230)는 그 용도/위치에 따라 캐시(cache), 버퍼, 주기억장치, 또는 보조기억장치이거나 별도로 마련된 저장 시스템일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The storage unit 230 is configured to store various types of information. That is, the storage unit 230 may store various types of information and software required for the operation of the measurement device 100 . In particular, the storage unit 230 may store information necessary for processing by the control unit 250 , information calculated by the control unit 250 , and the like. For example, the storage unit 230 may be a hard disk type, a magnetic media type, a compact disc read only memory (CD-ROM), or an optical media type depending on the type. type), a Sagneto-optical media type, a multimedia card micro type, a flash memory type, a read only memory type, or a RAM type ( random access memory type), but is not limited thereto. In addition, the storage unit 230 may be a cache, a buffer, a main memory, an auxiliary memory, or a separately provided storage system according to its purpose/location, but is not limited thereto.

통신부(240)는 타 장치, 서버, 시스템 등(이하, “타 장치”라 지칭함)과 통신을 수행하는 구성이다. 이때, 통신부(240)는 다양한 통신 방식의 유/무선 통신 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신부(240)는 5G(5th generation communication), LTE-A(long term evolution-advanced), LTE(long term evolution), 블루투스, BLE(bluetooth low energe), 또는 NFC(near field communication) 등의 무선 통신을 수행할 수 있고, 케이블 통신 등의 유선 통신을 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The communication unit 240 is configured to communicate with other devices, servers, systems, and the like (hereinafter referred to as “other devices”). In this case, the communication unit 240 may include wired/wireless communication modules of various communication methods. For example, the communication unit 240 is 5th generation communication (5G), long term evolution-advanced (LTE-A), long term evolution (LTE), Bluetooth, bluetooth low energe (BLE), or near field communication (NFC). It is possible to perform wireless communication such as cable communication, etc., and may perform wired communication such as cable communication, but is not limited thereto.

제어부(250)는 모델링 장치(200)의 나머지 구성의 동작을 제어하며, 모델링 장치(200)에서 필요한 다양한 정보를 산출한다. 특히, 제어부(250)는 상술한 멤리스터 소자(100)의 모델링 방법의 수행을 제어할 수 있으며, 식(1) 내지 식(9)의 이용 또는 연산 등을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 CUP 등과 같은 프로세서(processor), 또는 해당 프로세서에서 수행되는 소프트웨어(프로그램) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The control unit 250 controls operations of the remaining components of the modeling apparatus 200 , and calculates various pieces of information required by the modeling apparatus 200 . In particular, the controller 250 may control the performance of the modeling method of the memristor device 100 described above, and may control the use or operation of Equations (1) to (9). For example, the control unit 250 may include a processor such as a CUP, or software (program) executed in the corresponding processor, but is not limited thereto.

즉, 제어부(250)는 저항 스위칭의 메커니즘을 이용하여, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자(100)에 대해, SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링하도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(250)는 SEF에 따른 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 식(2)으로 모델링하도록 제어할 수 있고, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 식(3)으로 모델링하도록 제어할 수 있다.That is, the control unit 250 uses a resistance switching mechanism to convert the SBH change to the stretch index for the memristor device 100 in which resistance switching occurs according to a change in the Schottky barrier height (SBH). It can be controlled to model as a stretched exponential function (SEF). That is, the control unit 250 may control the expression according to the SEF to model the SBH change that increases with time by Equation (2), and control the SBH change that decreases with time to model the Equation (3) by Equation (3). .

또한, 제어부(250)는 멤리스터 소자(100)의 주요 전도(conduction) 메커니즘에 대해 스위칭 물질층(30)과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출로 모델링할 수 있다. 즉, 제어부(250)는 멤리스터 소자(100)에 대한 전류와 SBH의 관계를 열전자 방출을 나타내는 식(1)으로 표현할 수 있으며, 이에 대한 변형은 식(6)이다.In addition, the control unit 250 may model the main conduction mechanism of the memristor device 100 as thermionic emission generated from the Schottky contact between the switching material layer 30 and the main electrode. That is, the control unit 250 may express the relationship between the current and the SBH for the memristor device 100 by Equation (1) representing the hot electron emission, and a modification thereof is Equation (6).

또한, 제어부(250)는 SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하도록 제어하거나, 기 결정된 파라미터의 값을 저장부(230)에 저장하도록 제어하거나, 기 결정된 파라미터의 값을 타 장치로부터 통신부(240)를 통해 수신하도록 제어할 수 있다.In addition, the control unit 250 controls to determine the value of the parameter included in the SEF, controls to store the predetermined parameter value in the storage unit 230, or transmits the predetermined parameter value from another device to the communication unit 240 It can be controlled to receive via .

이때, SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하도록 제어할 경우, 제어부(250)는 멤리스터 소자(100)의 전도(conduction) 메커니즘을 이용할 수 있다. 즉, 제어부(250)는 스위칭 물질층(30)과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출를 이용하여, 파라미터의 값을 결정할 수 있다. 이때, 제어부(250)는 식(1) 및 그 변형인 식(6)을 이용할 수 있다. 구체적으로, 제어부(250)는 기 측정된 샘플(예를 들어, 샘플 A 및 B)에 대해 측정된 전류/전압 값을 식(1) 또는 식(6)에 대입하여, 시간에 따른 SBH의 변화를 도출할 수 있다. 제어부(250)는 이와 같이 도출된 시간에 따른 SBH 변화를 식(2) 및 (3)에 대입하여, 식(2) 및 (3)의 파라미터 값을 추출할 수 있다. 즉, SBH 변화를 식(2)와 식(3)에 대입하여, 각 전압에 따른 ΔΦB0, τ를 식(7)과 식(8)의 함수로 적용하여 식(4) 및 식(5)에 대입할 수 있다. 또한, 제어부(250)는 식(9)를 이용하여 IGZO에서의 유효 공핍 폭을 도출할 수 있다.In this case, when controlling to determine a value of a parameter included in the SEF, the controller 250 may use a conduction mechanism of the memristor element 100 . That is, the controller 250 may determine the parameter value by using the hot electron emission generated from the Schottky contact between the switching material layer 30 and the main electrode. In this case, the control unit 250 may use Equation (1) and a modification thereof Equation (6). Specifically, the controller 250 substitutes the measured current/voltage values for the pre-measured samples (eg, samples A and B) into Equation (1) or Equation (6), and the change in SBH with time can be derived. The control unit 250 may extract the parameter values of Equations (2) and (3) by substituting the SBH change according to the time derived in this way into Equations (2) and (3). That is, by substituting the SBH change into Equations (2) and (3), ΔΦ B0 , τ according to each voltage is applied as a function of Equations (7) and (8) to obtain Equations (4) and (5) can be substituted into In addition, the control unit 250 may derive the effective depletion width in IGZO using Equation (9).

한편, 제어부(250)는 멤리스터 소자(100)에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 다양한 시뮬레이션의 수행을 제어할 수 있다. 예를 들어, 멤리스터 소자(100)에 대해, 도 8에 도시된 바와 같이, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 식(1) 등을 이용하여 수행하여, 해당 값 또는 그 그래프를 모델링 장치(200)의 표시부(220)에 표시하도록 제어하거나, 타 장치에 통신부(240)를 통해 전송하도록 제어할 수 있다. 그 외에도, 제어부(250)는 결정된 각 파라미터의 값 또는 그 그래프를 모델링 장치(200)의 표시부(220)에 표시하도록 제어하거나, 통신부(240)를 통해 타 장치에 전송하도록 제어할 수 있다. 제어부(250)는 스파이스(SPICE) 등의 전자 회로 시뮬레이션 프로그램에서 상술한 시뮬레이션이 수행되도록 제어할 수 있다.Meanwhile, the controller 250 may control the execution of various simulations with respect to the memristor device 100 by using the determined parameter value and the conduction characteristics of the memristor according to the hot electron emission. For example, with respect to the memristor element 100, as shown in FIG. 8, a simulation of a current change according to voltage or a current change according to time is performed using Equation (1), and the corresponding value or its value The graph may be controlled to be displayed on the display unit 220 of the modeling device 200 or transmitted to another device through the communication unit 240 . In addition, the control unit 250 may control to display the determined value of each parameter or a graph thereof on the display unit 220 of the modeling apparatus 200 or to transmit the determined value to another device through the communication unit 240 . The controller 250 may control the above-described simulation to be performed in an electronic circuit simulation program such as SPICE.

본 발명에서, 비준정적으로(non-quasi-statically) 업데이트(즉, 시간에 따라 변화)되는 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height)를 갖는 멤리스터 소자(100)에 대한 모델이 개발되었다. 이때, 아날로그 멤리스터에 대한 더 높은 정확도의 컴팩트 모델링을 위해서는 스위칭 특성(switching characteristic)과 전도 거동(conduction behavior)에 대한 이해가 선행되어야 한다. 이러한 스위칭 특성과 전도 거동은 전극의 금속 종류와 공정 접근법(processing approach)에 의존한다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 스위칭 특성은 스위칭 물질층(30)과 하부 전극(20) 사이의 계면에 의해 보다 가중하게 결정되며, 그 계면의 상태는 아르곤 충격(Ar bombardment)에 의해 제어되었다. 전도의 메커니즘을 식별하기 위해, 일련의 장치 시뮬레이션이 수행되었으며, 샘플 A 및 B에 따른 멤리스터 소자(100)의 구조에 대한 내부 전기장 분포가 면밀히 조사되었다. 전도 거동은 주로 보다 높은 일함수를 갖는 전극(즉, Pd)과 스위칭 물질층(30)의 사이에서 발생하는 열전자 방출(thermionic emission)에 의해 결정되는 것으로 나타났다.In the present invention, a model has been developed for a memristor device 100 having a Schottky barrier height that is non-quasi-statically updated (ie, changes with time). At this time, in order to achieve higher accuracy and compact modeling of the analog memristor, an understanding of the switching characteristic and conduction behavior should be preceded. It has been experimentally found that these switching characteristics and conduction behavior depend on the metal type of the electrode and the processing approach. The switching characteristic is more heavily determined by the interface between the switching material layer 30 and the lower electrode 20, and the state of the interface is controlled by ar bombardment. To identify the mechanism of conduction, a series of device simulations were performed, and the internal electric field distribution for the structure of the memristor element 100 according to samples A and B was scrutinized. It has been shown that the conduction behavior is mainly determined by thermionic emission occurring between an electrode having a higher work function (ie, Pd) and the switching material layer 30 .

실험 결과와 함께 모델 파라미터를 준비하기 위해, 과도 측정 기술(transient measurement technique)이 동시에 구축되어, 이론에 의해 얻어진 모델 파라미터 세트와 그 기술 사이의 차이를 알 수 있었다. 즉, 전도 및 스위칭 메커니즘을 밝히면서 새로운 실험적 파라미터(empirical parameter)의 추출 방법이 개발되었으며, 여기서 추출된 파라미터는 공정 조건(process condition)에 대한 강한 종속성을 가지는 것으로 나타났다.In order to prepare the model parameters together with the experimental results, a transient measurement technique was established at the same time, so as to know the difference between the model parameter set obtained by the theory and the technique. That is, a new experimental parameter extraction method was developed while revealing the conduction and switching mechanisms, and the extracted parameters were found to have a strong dependence on process conditions.

그 결과, IGZO의 스위칭 물질층(30)을 포함하는 멤리스터 소자(100)에 대한 보다 정확하고 사실적인 SPICE 컴팩트 모델이 개발되었다. 즉, 스위칭 및 전도 메커니즘에 대한 이해와, 비준정적으로 업데이트되는 쇼트키 장벽 높이를 반영한 수학식에 대한 Verilog-A 빌드 업(Verilog-A equation build-up)의 동시 지원이 가능한 파라미터의 추출을 통해, 멤리스터 소자(100)를 위한 매우 안정적인 모델이 개발되었으며, 해당 모델에 대한 시뮬레이션 결과는 측정 결과와 상당한 일치를 보여주었다.As a result, a more accurate and realistic SPICE compact model of the memristor device 100 including the switching material layer 30 of IGZO was developed. In other words, through the understanding of the switching and conduction mechanisms and the extraction of parameters that enable simultaneous support of Verilog-A equation build-up for equations reflecting the non-quasi-statically updated Schottky barrier height , a very stable model for the memristor device 100 has been developed, and the simulation results for the model showed significant agreement with the measurement results.

일함수가 다른 전극 재료와, 증착 시퀀스, 즉 스위칭 물질층(30)과 상/하부 전극(20, 40)의 공정 시퀀스(process sequence)에 따른 스위칭 효과는 컴팩트 모델에 반영되었다. 비대칭 스위칭 특성이 관찰되는 근본적인 이유는 Ar 이온 충격이 IGZO와 BE 사이의 계면에서의 상태에 영향을 미친다는 사실에 있다. 주어진 구조에서 주요 전도 메커니즘은 열 이온 방출인 것으로 확인되었다. 본 발명에 의해 제안된 모델은 실시간으로 업데이트된 시간 및 전압 종속형 멤리스터 컴팩트 모델이며, 이는 고밀도 메모리 및 하드웨어 기반 뉴로모픽 응용 분야에 대한 높은 수준의 회로 및 시스템 설계와 분석에서 높은 실용성을 갖는다.Electrode materials having different work functions and the switching effect according to the deposition sequence, that is, the process sequence of the switching material layer 30 and the upper/lower electrodes 20 and 40 were reflected in the compact model. The underlying reason that the asymmetric switching characteristic is observed lies in the fact that Ar ion bombardment affects the state at the interface between IGZO and BE. The main conduction mechanism in a given structure was identified as thermionic emission. The model proposed by the present invention is a real-time updated time- and voltage-dependent memristor compact model, which has high practicality in high-level circuit and system design and analysis for high-density memory and hardware-based neuromorphic applications. .

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the present invention, although specific embodiments have been described, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the following claims and their equivalents.

10, Si: 기판 20, BE: 하부 전극
30, IGZO: 스위칭 물질층 40, TE: 제2 전극
10, Si: substrate 20, BE: lower electrode
30, IGZO: switching material layer 40, TE: second electrode

Claims (17)

기판 상에 마련된 하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화의 저항 스위칭이 발생하고 하부 전극 상에 마련되며 IGZO를 포함하는 스위칭 물질층과, 스위칭 물질층 상에 마련된 상부 전극을 각각 포함하며, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자에 대한 모델링 방법으로서,
SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링하는 단계를 포함하는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
A lower electrode provided on the substrate, resistance switching of resistance change occurs according to an applied voltage between the upper electrode and the lower electrode, and a switching material layer provided on the lower electrode and including IGZO, and an upper electrode provided on the switching material layer A modeling method for a memristor device in which resistance switching occurs according to a change in Schottky barrier height (SBH), each comprising:
A method for modeling a memristor device, comprising the step of modeling the SBH change as a stretched exponential function (SEF).
제1항에 있어서,
상기 멤리스터 소자는 하부 전극과 스위칭 물질층의 계면에 형성된 산소 공공(oxygen vacancy)에 전자가 트래핑/디트래핑(trapping/detrapping)되면서 SBH 변화가 발생하는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
The method of claim 1,
The modeling method of the memristor device in which the SBH change occurs as electrons are trapped/detrapped in an oxygen vacancy formed at an interface between the lower electrode and the switching material layer in the memristor device.
제2항에 있어서,
상기 산소 공공의 생성은 하부 전극 상에서 스퍼터링(sputtering)에 의해 스위칭 물질층이 형성될 때의 아르곤 이온 충격(Ar ion bombardment)에 의해 영향을 받는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
3. The method of claim 2,
A modeling method of a memristor device in which the generation of the oxygen vacancies is affected by ar ion bombardment when the switching material layer is formed by sputtering on the lower electrode.
제1항에 있어서,
상기 SEF에 따른 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 나타내는 제1 SEF의 식과, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 나타내는 제2 SEF의 식을 포함하는 모델링 방법.
The method of claim 1,
The expression according to the SEF includes an expression of a first SEF indicating a change in SBH that increases with time, and an expression of a second SEF indicating a change in SBH that decreases with time.
제4항에 있어서,
상기 제1 SEF의 식은 하기 식(2)로 나타내고, 상기 제2 SEF의 식은 하기 식(3)으로 나타내는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
Figure 112020064358282-pat00016

Figure 112020064358282-pat00017

여기서, ΔΦBi는 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화, ΔΦB0i는 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화, t는 시간, τsi 전압 종속 SBH 변화에 대한 셋(SET) 동작에서의 특성 시간 상수(characteristic time constant), τri는 전압 종속 SBH 변화에 대한 리셋(RESET) 동작에서의 특성 시간 상수, βsi SBH 변화에 대한 셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent), βri는 SBH 변화에 대한 리셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent)를 각각 나타내고, i는 1 또는 2로 표시되되 i=1은 V<0인 경우에 상부 전극과 스위칭 물질층의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이며, i=2는 V>0인 경우에 스위칭 물질층과 하부 전극의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이다.
5. The method of claim 4,
The first SEF formula is represented by the following formula (2), and the second SEF formula is represented by the following formula (3).
Figure 112020064358282-pat00016

Figure 112020064358282-pat00017

where ΔΦ Bi is the time- and voltage-dependent SBH change, ΔΦ B0i is the time- and voltage-dependent maximum SBH change, t is the time, and τ si is the characteristic time constant in the SET operation for the voltage-dependent SBH change ( characteristic time constant), τ ri is the characteristic time constant in the reset (RESET) operation for voltage-dependent SBH changes, β si is the stretching exponent in the set operation for SBH changes, β ri is the reset for SBH changes Each represents a stretching exponent in operation, where i is expressed as 1 or 2, but i=1 is an indication related to the change occurring at the interface between the upper electrode and the switching material layer when V<0, i= 2 is an indication related to the change occurring at the interface between the switching material layer and the lower electrode when V>0.
제1항에 있어서,
스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출을 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘으로 모델링하는 단계를 더 포함하며,
상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극인 멤리스터 소자의 모델링 방법.
The method of claim 1,
The method further comprises the step of modeling the hot electron emission from the Schottky contact of the switching material layer and the main electrode as a mechanism by which conduction of the memristor element occurs,
The method of modeling a memristor device, wherein the main electrode is an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode.
제1항에 있어서,
스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출을 이용하여 멤리스터 소자에 대한 전류와 SBH의 관계를 모델링하는 단계를 더 포함하며,
상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극인 멤리스터 소자의 모델링 방법.
The method of claim 1,
Modeling the relationship between the current and the SBH for the memristor device using thermistor emission from the Schottky contact of the switching material layer and the main electrode,
The method of modeling a memristor device, wherein the main electrode is an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode.
제1항에 있어서,
상기 SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하는 단계를 더 포함하는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
The method of claim 1,
The modeling method of the memristor device further comprising the step of determining the value of the parameter included in the SEF.
제8항에 있어서,
상기 결정하는 단계는 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출에 의해 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘을 이용하여 상기 파라미터의 값을 결정하며,
상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극인 멤리스터 소자의 모델링 방법.
9. The method of claim 8,
In the determining step, the value of the parameter is determined by using a mechanism in which conduction of the memristor element occurs by the emission of hot electrons generated in the Schottky contact between the switching material layer and the main electrode,
The method of modeling a memristor device, wherein the main electrode is an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode.
제9항에 있어서,
상기 결정하는 단계는 상기 열전자 방출을 나타내는 식을 이용하여 시간에 따른 SBH 변화를 도출하여 상기 파라미터의 값을 결정하는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
10. The method of claim 9,
The determining is a modeling method of a memristor device for determining a value of the parameter by deriving an SBH change with time using an equation representing the hot electron emission.
제7항 또는 제10항에 있어서,
상기 열전자 방출을 나타내는 식은 하기 식(1)인 멤리스터 소자의 모델링 방법.
Figure 112020064358282-pat00018

여기서, Imem은 멤리스터 소자(100)에 흐르는 전류, A는 즉, 주요 전극과 스위칭 물질층이 접촉하는 부위의 단면적, A*는 리차드 상수(Richardson constant), T는 절대 온도, kT는 열 에너지, q는 전하, E는 전기장, ΦB는 SBH를 각각 나타낸다.
11. The method of claim 7 or 10,
The formula representing the hot electron emission is a modeling method of a memristor device of the following formula (1).
Figure 112020064358282-pat00018

Here, I mem is the current flowing in the memristor element 100, A is the cross-sectional area of the contact area between the main electrode and the switching material layer, A* is the Richardson constant, T is the absolute temperature, kT is the heat Energy, q is electric charge, E is electric field, and Φ B is SBH.
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤리스터 소자에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 수행하는 단계를 더 포함하는 멤리스터 소자의 모델링 방법.
11. The method according to any one of claims 6 to 10,
Using the determined parameter value and the conduction characteristics of the memristor according to the emission of hot electrons for the memristor element, further comprising the step of performing a simulation of a current change according to voltage or a current change according to time modeling method.
기판 상에 마련된 하부 전극과, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전압에 따라 저항 변화의 저항 스위칭이 발생하고 하부 전극 상에 마련되며 IGZO를 포함하는 스위칭 물질층과, 스위칭 물질층 상에 마련된 상부 전극을 각각 포함하며, 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height, SBH)의 변화에 따라 저항 스위칭이 발생하는 멤리스터 소자에 대한 모델링 장치로서,
SBH 변화를 스트레치트 지수 함수(stretched exponential function, SEF)로 모델링하며,
SEF에 포함된 파라미터의 값을 결정하거나, 기 결정된 상기 파라미터의 값을 저장하고 있거나, 기 결정된 상기 파라미터의 값을 타 장치로부터 수신하는 멤리스터 소자의 모델링 장치.
A lower electrode provided on the substrate, resistance switching of resistance change occurs according to an applied voltage between the upper electrode and the lower electrode, and a switching material layer provided on the lower electrode and including IGZO, and an upper electrode provided on the switching material layer A modeling device for a memristor device in which resistance switching occurs according to a change in Schottky barrier height (SBH), each comprising:
Model the SBH change as a stretched exponential function (SEF),
A modeling apparatus for a memristor element that determines a value of a parameter included in SEF, stores a predetermined value of the parameter, or receives a predetermined value of the parameter from another device.
제13항에 있어서,
상기 SEF에 따른 식은 시간에 따라 증가하는 SBH 변화를 나타내는 하기 식(2)과, 시간에 따라 감소하는 SBH 변화를 나타내는 하기 식(3)을 포함하는 멤리스터 소자의 모델링 장치.
Figure 112020064358282-pat00019

Figure 112020064358282-pat00020

여기서, ΔΦBi는 시간 및 전압에 종속한 SBH 변화, ΔΦB0i는 시간 및 전압에 종속한 최대 SBH 변화, t는 시간, τsi 전압 종속 SBH 변화에 대한 셋(SET) 동작에서의 특성 시간 상수(characteristic time constant), τri는 전압 종속 SBH 변화에 대한 리셋(RESET) 동작에서의 특성 시간 상수, βsi SBH 변화에 대한 셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent), βri는 SBH 변화에 대한 리셋 동작에서의 스트레칭 지수(stretching exponent)를 각각 나타내고, i는 1 또는 2로 표시되되 i=1은 V<0인 경우에 상부 전극과 스위칭 물질층의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이며, i=2는 V>0인 경우에 스위칭 물질층과 하부 전극의 계면에서 발생하는 변화에 관련된 표시이다.
14. The method of claim 13,
A modeling apparatus for a memristor device comprising the following equation (2) representing the SBH change that increases with time, and the following equation (3) showing the SBH change that decreases with time according to the SEF equation.
Figure 112020064358282-pat00019

Figure 112020064358282-pat00020

where ΔΦ Bi is the time- and voltage-dependent SBH change, ΔΦ B0i is the time- and voltage-dependent maximum SBH change, t is the time, and τ si is the characteristic time constant in the SET operation for the voltage-dependent SBH change ( characteristic time constant), τ ri is the characteristic time constant in the reset (RESET) operation for voltage-dependent SBH changes, β si is the stretching exponent in the set operation for SBH changes, β ri is the reset for SBH changes Each represents a stretching exponent in operation, where i is expressed as 1 or 2, but i=1 is an indication related to the change occurring at the interface between the upper electrode and the switching material layer when V<0, i= 2 is an indication related to the change occurring at the interface between the switching material layer and the lower electrode when V>0.
제13항에 있어서,
상기 파라미터의 값은 스위칭 물질층과 주요 전극의 쇼트키 접촉에서 발생하는 열전자 방출에 의해 멤리스터 소자의 전도(conduction)가 발생하는 메커니즘을 이용하여 결정되며,
상기 주요 전극은 하부 전극 및 상부 전극 중 더 큰 일함수를 가진 전극인 멤리스터 소자의 모델링 장치.
14. The method of claim 13,
The value of the parameter is determined using a mechanism in which conduction of the memristor element is generated by the emission of hot electrons generated in the Schottky contact between the switching material layer and the main electrode,
The main electrode is an electrode having a larger work function among the lower electrode and the upper electrode. A modeling device for a memristor element.
제15항에 있어서,
상기 파라미터의 값은 열전자 방출을 나타내는 하기 식(1)을 이용하여 시간에 따른 SBH 변화를 도출함으로써 결정되는 멤리스터 소자의 모델링 장치.
Figure 112020064358282-pat00021

여기서, Imem은 멤리스터 소자(100)에 흐르는 전류, A는 즉, 주요 전극과 스위칭 물질층이 접촉하는 부위의 단면적, A*는 리차드 상수(Richardson constant), T는 절대 온도, kT는 열 에너지, q는 전하, E는 전기장, ΦB는 SBH를 각각 나타낸다.
16. The method of claim 15,
The value of the parameter is determined by deriving the SBH change with time using the following equation (1) representing the hot electron emission.
Figure 112020064358282-pat00021

Here, I mem is the current flowing in the memristor element 100, A is the cross-sectional area of the contact area between the main electrode and the switching material layer, A* is the Richardson constant, T is the absolute temperature, kT is the heat Energy, q is electric charge, E is electric field, and Φ B is SBH.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 멤리스터 소자에 대해, 결정된 파라미터의 값과 열전자 방출에 따른 멤리스터의 전도 특성을 이용하여, 전압에 따른 전류 변화 또는 시간에 따른 전류 변화의 시뮬레이션을 수행하는 멤리스터 소자의 모델링 장치.
17. The method of claim 15 or 16,
A modeling apparatus for a memristor element that performs a simulation of a current change according to voltage or a current change according to time with respect to the memristor element by using the determined parameter value and the conduction characteristics of the memristor according to the emission of hot electrons.
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