KR102393528B1 - 멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자 - Google Patents
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Abstract
멤리스터 소자가 개시된다. 멤리스터 소자는 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 0-D 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 내부에 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성된 저항 변화층을 구비한다.
Description
본 발명은 저항 변화를 통해 정보를 비휘발적으로 저장할 수 있는 멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자에 관한 것이다.
멤리스터(memristor)는 자속과 전하를 연결하는 나노 단위의 수동 소자로서, 전하량을 기억하여 그 전하량에 따라 저항이 변화하는 특징을 가진다. 전원 공급이 끊어졌을 때도 직전에 전류의 양과 방향을 기억하여, 전원 공급 시 기존의 상태를 복원할 수 있다. 이러한 멤리스터는 레지스터(resistor), 커패시커(capacitor) 및 인덕터(inductor)와 함께 전기 회로의 기본 구성요소의 하나이다.
주로 사용되었던 멤리스터 소재로는 산화물, 질화물 및 유기물이 연구되어 왔지만, 높은 구동전압 및 높은 전류 레벨로 인하여, 20nm 이하의 크기를 갖는 소자들을 고집적 시켜 동작하는 경우, 병렬 동작(parallel operation)이 어려운 문제점이 있다. 그리고 최근 유무기 페로브스카이트 물질을 이용한 멤리스터 연구가 진행되고 있는데, 할라이드 페로브스카이트 물질의 경우, 약 1V 이하의 낮은 구동 전압 그리고 nJ 또는 pJ 영역의 낮은 에너지 소모를 보여 뉴로모픽 컴퓨팅 소재로서 연구되고 있지만, 시냅스 가소성(synaptic plastics)의 낮은 선형성(linearity), 낮은 내구성(endurance) 등의 문제로, 현재까지 이를 적용한 뉴로모픽 컴퓨팅 소자의 성능(performance)이 좋지 않았다.
본 발명의 일 목적은 서로 다른 결정구조를 갖는 유무기 할로겐 화합물들의 혼합물로 형성된 저항 변화층을 구비하여 시냅스 가소성(synaptic plastics)의 선형성이 향상된 멤리스터 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 멤리스터 소자를 구비하는 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자는 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 0-D 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 내부에 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성된 저항 변화층;을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하고, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 +1가의 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내고, X는 할로겐 음이온을 나타내며, x, y, z, a, b 및 c는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +, CH3NH3 + 및 N2H5 +로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온(Bi3+) 또는 안티모니 이온(Sb3+)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +,이고, 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온이며, 상기 할로겐 음이온(X)은 요오드 이온일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유기 할로겐 화합물은 가상의 제1 중심 평면을 갖는 제1 층상 구조, 상기 제1 중심 평면과 평행하고 이격되게 위치하는 가상의 제2 중심 평면을 갖는 제2 층상 구조 및 상기 제1 층상 구조 및 상기 제2 층상 구조 사이에 배치되어 이들을 이격시키는 유기 이온들을 포함하는 결정구조를 갖고, 상기 제1 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제1 팔면체 단위들이 상기 제1 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제1 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제2 팔면체 단위들이 상기 제2 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제2 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조를 상기 제2 중심 평면에 평행한 회전축을 기준으로 180°회전하는 경우, 상기 제2 층상 구조는 상기 제1 층상 구조와 동일한 구조를 가지며, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 팔면체 단위 2개가 1개의 면을 공유하도록 배치된 이합체 단위들이 상기 R 이온에 의해 서로 분리되어 이격되게 배치된 결정 구조를 갖고, 1개의 이합체 단위는 3개의 R 이온과 결합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저항 변화층은 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물을 8:2 내지 6:4의 중량비율로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 멤리스터 소자는 상기 저항 변화층과 상기 제1 및 제2 전극 중 활성 전극 사이에 배치되고 상기 저항 변화층의 표면을 캡핑하는 캡핑층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 캡핑층은 2 내지 10nm의 두께를 갖는 PMMA 박막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실실예에 따른 뉴로모픽 소자는 서로 교차하는 방향으로 연장되된 제1 신호라인과 제2 신호라인; 및 상기 제1 신호라인과 상기 제2 신호라인이 중첩하는 영역에서 이들 사이에 배치되고, 서로 직렬로 연결된 메모리 셀과 선택 소자를 포함하고, 상기 메모리 셀은 상기 제1 신호라인과 상기 제2 신호라인 중 하나와 전기적으로 연결된 제1 전극, 상기 선택 소자와 전기적으로 연결된 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 저항 변화층을 포함하고, 상기 저항 변화층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 0-D 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 내부에 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하고, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 +1가의 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내고, X는 할로겐 음이온을 나타내며, x, y, z, a, b 및 c는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유기 할로겐 화합물은 가상의 제1 중심 평면을 갖는 제1 층상 구조, 상기 제1 중심 평면과 평행하고 이격되게 위치하는 가상의 제2 중심 평면을 갖는 제2 층상 구조 및 상기 제1 층상 구조 및 상기 제2 층상 구조 사이에 배치되어 이들을 이격시키는 유기 이온들을 포함하는 결정구조를 갖고, 상기 제1 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제1 팔면체 단위들이 상기 제1 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제1 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제2 팔면체 단위들이 상기 제2 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제2 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조를 상기 제2 중심 평면에 평행한 회전축을 기준으로 180°회전하는 경우, 상기 제2 층상 구조는 상기 제1 층상 구조와 동일한 구조를 가지며, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 팔면체 단위 2개가 1개의 면을 공유하도록 배치된 이합체 단위들이 상기 R 이온에 의해 서로 분리되어 이격되게 배치된 결정 구조를 갖고, 1개의 이합체 단위는 3개의 R 이온과 결합될 수 있다.
본 발명의 멤리스터 소자 및 뉴로모픽 소자에 따르면, 상기 저항 변화층이 이차원(2-D) 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 영차원(0-D) 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 이들의 헤테로 접합을 구비하므로, 다른 페로브스카이트 할로겐화물에 비해 현저하게 증가된 결함 밀도, 즉, 캐리어 밀도를 가질 수 있어서, 시냅스 가소성(synaptic plastics)의 선형성(linearity)을 현저하게 증가시킬 수 있고, 그 결과, 뉴로모픽 소자에 적용되는 경우 이의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신경모방 멤리스터 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 저항 변화층 물질의 결정구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예, 비교예 1과 2의 FAxBiyIz 박막에 대한 표면 SEM 이미지 및 XRD 분석 결과를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 실시예의 FAxBiyIz 박막의 벌크 헤테로접합을 개념적으로 나타내는 도면들이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 실시예(‘Mixture’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 FAxBiyIz 박막들에 캐리어 이동도와 밀도, 결함의 밀도와 전도도, 전압-전류 특성을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 7은 실시예(‘Type 1 BiHP’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 멤리스터 소자들에 대한 카운트 수에 따른 컨덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예의 멤리스터 소자에 대해 측정된 시간에 따른 이벤트 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 저항 변화층 물질의 결정구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예, 비교예 1과 2의 FAxBiyIz 박막에 대한 표면 SEM 이미지 및 XRD 분석 결과를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 실시예의 FAxBiyIz 박막의 벌크 헤테로접합을 개념적으로 나타내는 도면들이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 실시예(‘Mixture’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 FAxBiyIz 박막들에 캐리어 이동도와 밀도, 결함의 밀도와 전도도, 전압-전류 특성을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 7은 실시예(‘Type 1 BiHP’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 멤리스터 소자들에 대한 카운트 수에 따른 컨덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예의 멤리스터 소자에 대해 측정된 시간에 따른 이벤트 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신경모방 멤리스터 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 저항 변화층 물질의 결정구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 그리고 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 제1 전극(110), 제2 전극(120) 및 저항 변화층(130)을 포함한다.
상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120)은 서로 이격된 상태에서 대향하도록 배치되고, 전기 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(120) 각각은 전도성 산화물, 전도성 금속, 전도성 질화물, 전도성 고분자, 전도성 탄소계 물질 등으로 형성될 수 있다. 상기 전도성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속은 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 크로뮴(Cr), 규소(Si), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120) 중 하나는 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 이온화 에너지가 낮은 금속 물질로 형성된 활성 전극일 수 있고, 나머지 하나는 상기 활성 전극을 형성하는 물질보다 이온화 에너지가 높은 전도성 물질로 형성된 비활성 전극일 수 있다. 예를 들면, 상기 비활성 전극은 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 형성될 수 있다.
상기 저항 변화층(130)은 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120) 사이에 배치되고, 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120)에 인가되는 전압에 따라 고저항 상태(High Resist State)에서 저저항 상태(Low Resist State)로, 그리고 저저항 상태에서 고저항 상태로 저항이 가역적으로 변화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저항 변화층(130)은 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 0-D 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성될 수 있고, 상기 저항 변화층(130) 내부에는 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있고, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내며, X는 할로겐 음이온을 나타낸다. 그리고 x, y, z, a, b 및 c는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +, CH3NH3 +, N2H5 + 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온, 안티모니 이온 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 할로겐 음이온(X)은 불소 이온(F-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 요오드 이온(I-) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +,이고, 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온이며, 상기 할로겐 음이온(X)은 요오드 이온일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 도 2a에 도시된 바와 같은 2-D 층상형 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 유기 할로겐 화합물은 가상의 제1 중심 평면을 갖는 제1 층상 구조, 상기 제1 중심 평면과 평행하고 이격되게 위치하는 가상의 제2 중심 평면을 갖는 제2 층상 구조 및 상기 제1 층상 구조 및 상기 제2 층상 구조 사이에 배치되어 이들을 이격시키는 유기 이온들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제1 팔면체 단위들이 상기 제1 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제1 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가질 수 있고, 상기 제2 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제2 팔면체 단위들이 상기 제2 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제2 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가질 수 있으며, 상기 제2 층상 구조를 상기 제2 중심 평면에 평행한 회전축을 기준으로 180°회전하는 경우, 상기 제2 층상 구조는 상기 제1 층상 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 도 2b에 도시된 바와 같은 0-D 헥사고날 이합체(Hexagonal dimer) 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 팔면체 단위 2개가 1개의 면을 공유하도록 배치된 이합체 단위들을 포함할 수 있고, 상기 이합체 단위들은 R 이온에 의해 서로 분리되어 이격되게 배치된 구조를 가질 수 있다. 일 실시예로, 1개의 이합체 단위는 3개의 R 이온과 결합될 수 있고, R 이온들은 육방정계 형태로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 저항 변화층(130)은 상기 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 0-D 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물을 약 8:2 내지 6:4의 중량비율로 포함할 수 있다.
한편, 도면에 도시되진 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자(100)는 상기 저항 변화층(130)과 상기 제1 및 제2 전극(110, 120) 중 활성 전극 사이에 배치되고 상기 저항 변화층(130)의 표면을 캡핑하는 캡핑층을 더 포함할 수 있다.
상기 캡핑층은 상기 저항변화층(130) 상에 상부 전극을 형성하는 과정에서 야기되거나 대기 중의 산소와 수분과의 화학적 반응에 의해 야기되는 상기 저항변화층(130)의 유무기 할로겐 화합물의 손상을 방지할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 캡핑층은 약 2 내지 10nm의 두께를 갖는 PMMA 박막을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 뉴로모픽 소자(1000)는 복수의 메모리 셀(1100)과 선택 소자(1200), 제1 신호라인(1300) 및 제2 신호 라인(1400)을 포함한다.
상기 복수의 메모리 셀(1100) 각각은 상기 제1 신호라인(1300)과 상기 제2 신호라인(1400) 사이에 배치될 수 있고, 상기 제1 신호라인(1300)과 상기 제2 신호라인(1400) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 메모리 셀(1100) 각각은 제1 전극(1110), 제2 전극(1120) 및 저항 변화층(1130)을 포함할 수 있다. 상기 메모리 셀(1100) 각각은 도 1을 참조하여 설명한 멤리스터 소자(100)와 동일하므로 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도 3에는 제2 전극(1120)이 제2 신호라인(1400)과 전기적으로 연결되고 상기 제1 전극(1110)이 상기 선택 소자(1200)와 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리 상기 제1 전극(1110)이 상기 제1 신호라인(1300)과 전기적으로 연결되고 상기 제2 전극(1120)은 상기 선택 소자(1200)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 선택 소자(1200) 각각은 상기 제1 신호라인(1300) 및 상기 제2 신호라인(1400) 중 하나와 상기 복수의 메모리 셀(1100) 중 대응되는 셀과 직렬로 연결되고, 인접하게 배치된 다른 이웃 메모리 셀로부터의 누설전류(sneak current)를 억제하여 상기 대응되는 메모리 셀(1100)의 감지 전류(sensing current)에 영향을 주는 것을 방지한다. 상기 선택 소자(1200)로는 선택된 메모리 셀에 인가되는 읽기 또는 쓰기 등의 감지 전압에서는 작은 저항값을 갖고, 비선택된 메모리 셀에 인가되는 낮은 전압에서는 매우 큰 저항값을 갖는 비선형적인 전류-전압 특성을 갖는 소자라면 특별히 제한되지 않고, 공지의 선택 소자가 제한 없이 적용될 수 있다.
상기 제1 신호라인(1300)과 상기 제2 신호라인(1400)은 서로 교차하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 신호라인(1300)은 제1 방향(X)으로 연장될 수 있고, 상기 제2 신호라인(1400)은 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y)으로 연장될 수 있다.
한편, 도 3에는 상기 제1 신호라인(1300) 및 상기 제2 신호라인(1400)이 하나의 메모리 셀(1100)과 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있으나, 상기 제1 신호라인(1300)은 상기 제2 방향(Y)을 따라 일렬로 배치된 복수의 메모리 셀들과 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 제2 신호라인(1400)은 상기 제1 방향(X)을 따라 일렬로 배치된 복수의 다른 메모리 셀들과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 멤리스터 소자 및 뉴로모픽 소자에 따르면, 상기 저항 변화층이 이차원(2-D) 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 영차원(0-D) 헥사고날 이합체(dimer) 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 이들의 헤테로 접합을 구비하므로, 다른 페로브스카이트 할로겐화물에 비해 현저하게 증가된 결함 밀도, 즉, 캐리어 밀도를 가질 수 있어서, 시냅스 가소성(synaptic plastics)의 선형성(linearity)을 현저하게 증가시킬 수 있고, 그 결과, 뉴로모픽 소자에 적용되는 경우 이의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 일부 실시예 및 비교예들에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 및 비교예 1, 2>
기판 상에 100nm 두께의 백금(Pt) 박막을 형성한 후 그 위에 FAxBiyIz 박막을 형성하고, 상기 FAxBiyIz 박막 상에 진공 증착의 방법으로 150 nm 두께의 은(Ag) 박막을 형성하는 방식으로 실시예, 비교예 1, 2의 멤리스터 소자들을 제조하였다.
그리고, 상기 FAxBiyIz 박막은 1:3(비교예 1), 2:3(실시예) 및 3:2(비교예 2)의 중량비율로 FAI(FA=HC(NH2)2) 및 BiI3를 DMF(dimethylformamide) 용매에 녹여 FAxBiyIz 전구체 용액들을 제조한 후 상기 전구체 용액들 각각을 상기 백금(Pt) 박막이 형성된 상기 기판 상에 반용매 적하(anti-solvent dropping)를 하면서 스핀코팅한 후 열처리를 진행하는 방식으로 형성되었다.
[실험예]
도 4a 및 도 4b는 실시예, 비교예 1과 2의 FAxBiyIz 박막에 대한 표면 SEM 이미지 및 XRD 분석 결과를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 비교예 1의 FAxBiyIz 박막은 2-D 층상구조의 결정구조를 갖는 FABi3I10로 형성되고, 비교예 2의 FAxBiyIz 박막은 0-D 이합체 구조의 결정구조를 갖는 FA3Bi2I9로 형성되며, 실시예의 FAxBiyIz 박막은 상기 FABi3I10 및 FA3Bi2I9의 혼합물로 형성됨을 알 수 있고, 또한, 실시예의 FAxBiyIz 박막은 비교예 1, 2의 FAxBiyIz 박막들보다 결정의 그레인 크기가 작은 것을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예의 FAxBiyIz 박막의 벌크 헤테로접합을 개념적으로 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 실시예의 FAxBiyIz 박막은 FABi3I10 및 FA3Bi2I9의 혼합물로 형성되므로, FABi3I10 및 FA3Bi2I9 사이의 벌크 헤테로접합이 형성되고, 이에 따라 도 5b에 도시된 바와 같은 에너지 밴드 구조를 가질 것으로 예상된다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 실시예(‘Mixture’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 FAxBiyIz 박막들에 캐리어 이동도와 밀도, 결함의 밀도와 전도도, 전압-전류 특성을 각각 나타내는 그래프들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 비교예 1, 2의 FAxBiyIz 박막들과 비교하여, 실시예의 FAxBiyIz 박막은 캐리어 이동도는 낮으나, 캐리어 밀도는 높은 것으로 나타났고, 이에 따라 전도도는 낮으나 결함 밀도는 높은 것으로 나타났다.
도 6c를 참조하면, 비교예 1, 2의 멤리스터 소자들과 비교하여, 실시예의 멤리스터 소자에서는 전류는 낮으나, 전류의 ON/OFF 비율이 높은 것으로 나타났다.
도 7은 실시예(‘Type 1 BiHP’), 비교예 1('FABi3I10') 및 비교예2('FA3Bi2I9')의 멤리스터 소자들에 대한 카운트 수에 따른 컨덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 비교예 1, 2의 멤리스터 소자들과 비교하여, 실시예의 멤리스터 소자에서는 보다 향상된 선형 가중치 업데이트(linear weight update) 특성이 나타나고, 혼합물 상태가 잘 유지됨을 알 수 있다.
도 8은 실시예의 멤리스터 소자에 대해 측정된 시간에 따른 이벤트 전류를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실시예의 멤리스터 소자의 경우, 이벤트 당 에너지(energy per event)가 0.61 fJ까지 가능한 것으로 나타났고, 이는 현재까지 보고된 할라이트 페로브스카이트 시냅스(halide perovskite synapse) 중에 가장 낮은 수치에 해당한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 멤리스터 소자 110: 제1 전극
120: 제2 전극 130: 저항 변화층
1000: 뉴로모픽 소자 1100: 메모리 셀
1200: 선택 소자 1300: 제1 신호라인
1400: 제2 신호 라인
120: 제2 전극 130: 저항 변화층
1000: 뉴로모픽 소자 1100: 메모리 셀
1200: 선택 소자 1300: 제1 신호라인
1400: 제2 신호 라인
Claims (12)
- 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 헥사고날 이합체(dimer)들이 서루 분리되어 배치된 0-D 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 내부에 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성된 저항 변화층;을 포함하는, 멤리스터 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하고, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 2의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 +1가의 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내고, X는 할로겐 음이온을 나타내며, x, y, z, a, b 및 c는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다. - 제2항에 있어서,
상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +, CH3NH3 + 및 N2H5 +로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제3항에 있어서,
상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온(Bi3+) 또는 안티모니 이온(Sb3+)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제4항에 있어서,
상기 유기 양이온(R)은 CH(NH2)2 +,이고, 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온이며, 상기 할로겐 음이온(X)은 요오드 이온인 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제2항에 있어서,
상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 가상의 제1 중심 평면을 갖는 제1 층상 구조, 상기 제1 중심 평면과 평행하고 이격되게 위치하는 가상의 제2 중심 평면을 갖는 제2 층상 구조 및 상기 제1 층상 구조 및 상기 제2 층상 구조 사이에 배치되어 이들을 이격시키는 유기 이온들을 포함하는 결정구조를 갖고, 상기 제1 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제1 팔면체 단위들이 상기 제1 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제1 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제2 팔면체 단위들이 상기 제2 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제2 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조를 상기 제2 중심 평면에 평행한 회전축을 기준으로 180°회전하는 경우, 상기 제2 층상 구조는 상기 제1 층상 구조와 동일한 구조를 가지며,
상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 팔면체 단위 2개가 1개의 면을 공유하도록 배치된 이합체 단위들이 상기 R 이온에 의해 서로 분리되어 이격되게 배치된 결정 구조를 갖고, 1개의 이합체 단위는 3개의 R 이온과 결합된 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제2항에 있어서,
상기 저항 변화층은 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물을 8:2 내지 6:4의 중량비율로 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제4항에 있어서,
상기 저항 변화층과 상기 제1 및 제2 전극 중 활성 전극 사이에 배치되고 상기 저항 변화층의 표면을 캡핑하는 캡핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 제8항에 있어서,
상기 캡핑층은 2 내지 10nm의 두께를 갖는 PMMA 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 멤리스터 소자. - 서로 교차하는 방향으로 연장되된 제1 신호라인과 제2 신호라인; 및
상기 제1 신호라인과 상기 제2 신호라인이 중첩하는 영역에서 이들 사이에 배치되고, 서로 직렬로 연결된 메모리 셀과 선택 소자를 포함하고,
상기 메모리 셀은 상기 제1 신호라인과 상기 제2 신호라인 중 하나와 전기적으로 연결된 제1 전극, 상기 선택 소자와 전기적으로 연결된 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 저항 변화층을 포함하고,
상기 저항 변화층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 2-D 층상 구조의 결정 구조를 갖는 제1 유무기 할로겐 화합물과 헥사고날 이합체(dimer)들이 서로 분리되어 배치된 0-D 결정구조를 갖는 제2 유무기 할로겐 화합물의 혼합물로 형성되어 내부에 상기 제1 유무기 할로겐 화합물과 상기 제2 유무기 할로겐 화합물 사이의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero-junction)이 형성된 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 소자. - 제10항에 있어서,
상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 1의 화합물을 포함하고, 상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 하기 화학식 2의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 소자:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 +1가의 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내고, X는 할로겐 음이온을 나타내며, x, y, z, a, b 및 c는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다. - 제11항에 있어서,
상기 제1 유무기 할로겐 화합물은 가상의 제1 중심 평면을 갖는 제1 층상 구조, 상기 제1 중심 평면과 평행하고 이격되게 위치하는 가상의 제2 중심 평면을 갖는 제2 층상 구조 및 상기 제1 층상 구조 및 상기 제2 층상 구조 사이에 배치되어 이들을 이격시키는 유기 이온들을 포함하는 결정구조를 갖고, 상기 제1 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제1 팔면체 단위들이 상기 제1 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제1 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조는 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 제2 팔면체 단위들이 상기 제2 중심 평면에 중심면이 위치하고 인접하게 배치된 제2 팔면체 단위들이 1개의 면을 공유하도록 배치된 구조를 가지고, 상기 제2 층상 구조를 상기 제2 중심 평면에 평행한 회전축을 기준으로 180°회전하는 경우, 상기 제2 층상 구조는 상기 제1 층상 구조와 동일한 구조를 가지며,
상기 제2 유무기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 팔면체 단위 2개가 1개의 면을 공유하도록 배치된 이합체 단위들이 상기 R 이온에 의해 서로 분리되어 이격되게 배치된 결정 구조를 갖고, 1개의 이합체 단위는 3개의 R 이온과 결합된 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 소자.
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