KR102420165B1 - 이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법이 개시된다. 상부 전극 - 활성층 - 하부 전극이 포함되는 전자 소자를 구비하며, 상기 활성층의 이온의 농도를 제어하여 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하며, 동종의 물질과 같은 공정 구조에서 활성층에 사용된 금속 이온의 농도만을 제어하여 배터리, 스위치, 및 메모리를 특성을 갖는 전자소자를 구현하였다.
이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성 층을 이용하는 방법, (2) 활성 층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법, (3) 이온 소스층을 이용하는 방법을 사용한다. 이온 소스층을 이용하는 방법(도 2)은 다른 구조들을 가질 수 있다. 먼저, 상부 전극 또는 하부 전극 자체를 이온 소스층으로 이용하는 방법, 상부전극 과 활성 층 사이에 이온 소스층을 삽입하는 방법, 그리고 하부전극과 활성 층 사이에 이온 소스 층을 삽입하는 방법이 사용된다.

Description

이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법{Electronic device based on ion concentration and manufacturing method thereof}
본 발명은 이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상부 전극-활성층-하부 전극으로 구성된 구조에서 활성층(active layer)의 이온의 농도를 제어하여 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따라 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하며, 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속 이온(Ag, Cu, Li, Mg...) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+...)이 사용되며, 동종의 물질과 같은 공정 구조에서 활성층에 사용된 이온의 농도만을 제어하여 배터리, 스위치, 메모리 특성을 갖는 전자소자를 구현하는, 이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법에 관한 것이다.
배터리, 스위치, 메모리 등의 전자 소자를 보다 효율적으로 제작하기 위해, 동종의 물질과 같은 공정을 사용해야 하며, 하지만 지금까지 각 전자 소자의 특성을 확보하기 위하여 해당 소자의 특정 물질과 구조(배터리 소자, 트랜지스터를 사용한 스위치 소자 -
Figure 112021122895644-pat00001
실리콘 산화물,
Figure 112021122895644-pat00002
하프늄 산화물, 메모리용 소자 -
Figure 112021122895644-pat00003
실리콘 산화물,
Figure 112021122895644-pat00004
하프늄 산화물,
Figure 112021122895644-pat00005
탄탈 산화물 등)를 사용하였다.
특히, 배터리는 에너지 저장 소자로 사용되며, 트랜지스터를 사용한 2단자 또는 3단자 스위치는 스위칭 소자로 사용되며, 메모리는 정보 저장 소자로 사용된다.
스위칭 소자는 2단자 소자와 FET(field effect transistor) 등의 3단자 소자가 사용되며, 주로 사용되는 트랜지스터는
Figure 112022015113278-pat00006
실리콘 산화물이 주로 사용된다.
예를들면, 메모리 소자에서, 탄탈 산화물(
Figure 112021122895644-pat00007
)은 유전율이 높고(예 30) 누설 전류는 작기 때문에 DRAM 커패시터와 같은 응용을 위한 고유전율 재료로 사용된다.
메모리 소자는 DRAM, 플래시 메모리 등 반도체 기억소자이며, 차세대 메모리소자로써 PRAM(Phase change RAM), ReRAM(Resistance RAM), MRAM(Magnetic RAM, 특히 STT-MRAM) 등이 연구되고 있으며, 특히 ReRAM 소자는 저항변화물질의 산화환원 반응에 의한 저항차이를 사용하는 메모리 소자로써 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 가지고 있으며, 소자의 미세화나 수직 방향으로의 적층에 유리하다. 장기적으로 볼 때 NAND Flash memory를 대체할 수 있는 고밀도 메모리 소자로서의 가능성을 가지고 있고, 멤리스터(Memristor) 소자와 같이 뉴로모픽(Neuromorphic) 분야에서 시냅스(synapse) 모방소자로서 응용될 가능성이 있다.
최근, 반도체 공정의 미세화와 고집적화가 점점 어려워지면서 DRAM 등의 전하 기반의 메모리 소자의 한계를 극복하고, 이를 대체할 수 있는 차세대 메모리소자에 대한 필요성은 점점 높아지고 있다. 또한, 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing)과 같이 폰노이만 구조에서 벗어난 컴퓨팅 구조를 개발하려고 연구되고 있다. 멤리스터 및 저항변화 메모리 소자는 이러한 연구개발 시도 중 하나이다. 저항 변화 메모리 소자는 매우 다양한 절연체에서 나타나는 저항변화 현상을 사용하여 정보를 저장하는 메모리 소자이다. 저항 변화 메모리 소자는 일반적으로 매우 단순한 MIM 구조로 제작되며, 상부 전극과 하부 전극의 소자 양단에 적절한 전기적 자극을 가해줌으로서 ON 상태와 OFF 상태로 스위칭할 수 있다. 특히, 저항이 높아 전류가 잘 흐르지 않는 OFF state를 HRS(High Resistance State)라고 하며, 반대로 저항이 낮아 전류가 잘 흐르는 ON state를 LRS(Low Resistance State)라고 한다. 저항 변화 메모리 소자는 소자 양단에 가해진 전기적 자극에 따라 HRS에서 LRS로 또는 LRS에서 HRS로 저항 변화가 일어나는데, HRS에서 LRS로 스위칭하는 과정을 SET process라고 하며, 반대로 LRS에서 HRS로 스위칭하는 과정을 RESET process라고 한다.
이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 1001223940000에서는 "고농도의 산소이온 주입법을 이용한 소자절연방법"이 등록되어 있으며, 종래에 비아드즈 바이크에 의해 활성영역이 축소되어 공정여유도가 감소하게 되고, 또한, 부가공정에 의한 공정이 용이하지 않은 문제점을 해결하기 위해 규소기판(21)표면에 소자절연영역(24)을 포토레지스트(23) 또는 그 이외의 이온주입마스크를 사용하여 폐단을 형성한 후 이후 고농도의 산소원자를 이온주입한 다음, 포토레지스트 또는 그 이외의 이온주입마스크를 제거하고, 고온의 열처리공정을 하여 표면에 산화막(22)을 형성함으로써 소자의 절연영역을 고농도 산소이온 주입을 이용하여 정확히 절약할 수 있으며, 소자의 절연면적을 최소화함으로써 초고집적화가 용이할 수가 있다.
그러나, 기존 소자는 상부 전극 - 활성층 - 하부 전극으로 구성된 구조에서 활성층의 이온의 농도(예, Ag)를 제어하여 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하지 않았다.
특허 등록번호 10-01223940000 (등록일자 1997년 09월 04일), "고농도의 산소이온 주입법을 이용한 소자절연방법", 한국전자통신연구원
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 상부 전극-활성층-하부 전극으로 구성된 구조에서 활성층의 이온(ion)의 농도를 제어하여 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따라 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하며, 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속 이온(Ag, Cu, Li, Mg...) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+...)이 사용되며, 동종의 물질과 같은 공정 구조에서 활성층에 사용된 이온의 농도만을 제어하여 배터리, 스위치, 메모리 특성을 갖는 전자소자를 구현하는, 이온 농도에 따른 전자소자와 제작 방법을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 이온 농도에 따른 전자소자는 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 전자 소자를 구비하며,
상기 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속이온 Mg가 사용되며, 상기 활성층은 절연 특성을 갖는 모든 종류의 물질이 사용되고,
상기 전자 소자의 이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법 중 어느 하나를 사용하며,
상기 활성층은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법을 사용하지 않는 경우,
상부 전극과 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층; 또는 상기 하부 전극과 상기 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층을 더 포함하며,
상기 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 상기 활성층에 Mg 이온 또는 Ag 이온이 사용되는 경우, 상기 활성층 내에 사용된 Ag 이온 0% doping시, 상기 활성층에 Ag 이온이 없으면, 이온 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극과 하부 전극에 -4V ~ +4V 전압을 인가하면 100nA 이하의 전류가 흐르므로, 상기 활성층은 절연체 특성을 보이며, 상기 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 가지며,
상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.008%로 높아졌을 때, 상기 소자는 에너지 저장 소자 인 실버 이온 배터리의 특성을 가지며,
상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 상기 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.04%로 더 높아졌을 때, 상기 소자는 스위치 특성을 보이며,
① 0 ~ 3.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 절연체 특성, 3.7 ~ 4 V 전압부터 스위치 ON 상태 10 μA 전류가 흐르고(스위치 ON),
② 전압을 줄이게 되면, 2.2V~0.7V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐르며(스위치 OFF),
③ (-) 네거티브 전압 구간에서, -1.7V ~ -3V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 ON 상태 -10 μA 전류가 흐르고(스위치 ON),
④ (-) 네거티브 전압 구간에서, -3V ~ -0.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐르는(스위치 OFF),
상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자 인 배터리, 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치, 정보 저장 소자 인 메모리에 사용된다.
본 발명의 이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법은 상부 전극-활성층-하부 전극으로 구성된 구조에서 활성층의 이온(ion)의 농도를 제어하여 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따라 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하며, 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속 이온(Ag, Cu, Li, Mg...) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+...)이 사용되며, 동종의 물질과 같은 공정 구조에서 활성층에 사용된 이온의 농도만을 제어하여 배터리, 스위치, 메모리 특성을 갖는 전자소자를 구현하였으며, 에너지 저장 소자(배터리), 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치 소자(스위치), 정보 저장 소자(메모리)에 사용될 수 있다.
이온 농도에 따른 전자소자는 에너지 저장 소자(배터리), 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치 소자(스위치), 정보 저장 소자(메모리)가 사용되는 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자 및 IC 칩, IoT 기기, Wearable 소자 등에 응용될 수 있다.
도 1은 상부 전극, 활성층, 하부 전극으로 구성된 이온 농도에 따른 전자소자의 기본 구조의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 (a), (b), (c)에 따라 이온 소스층이 활용하는 이온 농도에 따른 전자소자의 기본 구조를 갖는 단면도이다.
도 3은 2 weight %의 Ag 이온을 포함한 구조를 보인 사진이다.
도 4는 Ag 이온 doping 농도에 따른 초기 저항 값 변화 보인 그림이다.
도 5는 도 1의 구조에서 활성층 내에 사용된 Ag 이온 0% doping시, 절연체 특성을 보이는 소자의 그림이다.
도 6은 도 1의 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.008%로 높아졌을 때, 소자는 에너지 저장 소자(실버 이온 배터리)의 특성을 보여주고 있다.
도 7은 도 1의 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.04%로 더 높아졌을 때, 소자는 스위치 특성을 보여준 그림이다.
도 8은 도 1의 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도를 0.2%로 더욱 더 높였을 때, 소자는 메모리 특성을 보여준 그림이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
본 발명의 이온 농도에 따른 전자소자와 그 제조 방법은 상부 전극-활성층-하부 전극으로 구성된 구조에서 활성층(active layer)의 이온(ion)의 농도를 제어하여 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따라 각각 다른 전자소자 특성(배터리, 2단자 스위치, 메모리)을 제공하며, 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속이온(Ag, Cu, Li, Mg...) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+...)이 사용되며, 동종의 물질과 같은 공정 구조에서 활성층에 사용된 금속 이온의 농도만을 제어하여 배터리, 스위치, 메모리 특성을 갖는 전자소자를 구현하였다.
도 1은 상부 전극, 활성층, 하부 전극으로 구성된 이온 농도에 따른 전자소자의 기본 구조의 단면도이다.
본 발명의 이온 농도에 따른 전자소자는
하부 전극(30);
상기 하부 전극(30) 위에 형성된 활성층(20); 및
상기 활성층(20) 위에 형성된 상부 전극(10)을 포함하는 전자 소자를 구비하며,
상기 전자 소자의 이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법, (3) 이온 소스층을 이용하는 방법 중 어느 하나를 사용하며,
상기 활성층(20)은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법을 사용하지 않는 경우,
상부 전극(10)과 활성층(20) 사이에 삽입된 이온 소스층; 또는 상기 하부 전극(30)과 상기 활성층(20) 사이에 삽입된 이온 소스층을 더 포함하며,
상기 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서, 상기 활성층에 Mg 이온 또는 Ag 이온을 사용하는 경우, 예를 들면, 상기 활성층 내에 사용된 Ag 이온 0% doping시, 상기 활성층에 Ag 이온이 없으면, 활성층에 사용된 금속 이온 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극과 하부 전극에 -4V ~ +4V 전압을 인가하면 100nA 이하의 전류가 흐르므로, 상기 활성층은 절연체 특성을 보이며, 상기 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 가지며,
상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 활성 층 내에 Ag 이온의 농도가 0.008%로 높아졌을 때, 상기 소자는 에너지 저장 소자 인 실버 이온 배터리의 특성을 가지며,
상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자 인 배터리, 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치, 정보 저장 소자 인 메모리에 사용된다.
또한, 본 발명의 이온 농도에 따른 전자소자 제조 방법은 (a) 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 전자 소자를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 전자 소자의 이온의 농도를 제어하기 위해 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법, (3) 이온 소스층을 이용하는 방법 중 어느 하나를 사용하는 단계를 포함하며,
다른 실시예에서는, 상기 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속이온 Mg가 사용되며, 상기 활성층은 절연 특성을 가지는 모든 종류의 물질이 사용되고,
상기 활성층은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법을 사용하지 않는 경우,
상부 전극과 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층; 또는 상기 하부 전극과 상기 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층을 더 포함하며,
상기 활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자 인 배터리, 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치, 정보 저장 소자 인 메모리에 사용된다.
활성층(20)에 사용되는 이온의 종류는 금속이온(Ag, Cu, Li, Mg...) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+....)이 사용될 수 있다. 활성층(20)은 절연특성을 갖는 모든 종류의 물질이 사용된다.
상부 전극(10), 하부 전극(30)은 금속 물질 또는 전도성 특성을 가지는 물질을 사용할 수 있다.
실시예에서는, 위의 설명된 방식으로 제작된 활성층에 사용된 이온 농도에 따른 전자 소자는 상부 전극(10)은 Ni, 활성층(20)은 Al2O3, 그리고 하부 전극(30)은 Ni를 사용하였다.
상기 활성층(20)은 이온(ion)이 없으면, 절연체(insulator) 특성을 가지며, 이 경우, 활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자소자는, 상부 전극(10)-활성층(20)-하부 전극(30) 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 갖는다.
이온 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자(실버 이온 배터리), 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치 소자(스위치), 정보 저장 소자(메모리)에 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 같이, 본 발명은 상부 전극(10) - 활성층(20) - 하부 전극(30)으로 이루어진 구조에서 활성층의 이온(ion)의 농도를 제어하여 각각 다른 전자소자 특성(silver ion 배터리, 트랜지스터의 2단자 스위치, 메모리)을 확보하는 기술을 제공하였다.
도 2는 본 발명의 실시예 (a), (b), (c)에 따라 이온 소스층이 활용하는 이온 농도에 따른 전자소자의 기본 구조를 갖는 단면도이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전자 소자의 이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성층을 사용하는 방법, (2) 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법, (3) 이온 소스층을 이용하는 방법을 사용한다. 이온 소스 층을 이용하는 방법은 도 2(a), (b), (c)와 같이 다른 구조들이 형성된다.
먼저, 상부 전극(10) 또는 하부 전극(30) 자체를 이온 소스층(21)으로 사용하는 방법[도 2(a)], 상부 전극(10)과 활성층(20) 사이에 이온 소스층(21)을 삽입하는 방법[도 2(b)], 그리고 하부 전극(30)과 활성층(20) 사이에 이온 소스층(21)을 삽입하는 방법[도 2(c)]이 있다.
상기 전자 소자의 활성층의 이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법, (3) 이온 소스층을 이용하는 방법을 사용하며,
상기 활성층은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법을 사용하지 않는 경우,
상부 전극(10)과 활성층(20)과 하부 전극(30)의 구조에서, 상부 전극(10)과 활성층(20) 사이에 삽입된 이온 소스층(21); 또는 상기 하부 전극(30)과 상기 활성층(20) 사이에 삽입된 이온 소스층(21)을 더 포함한다.
도 2(a)를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이온 농도에 따른 전자소자는 하부 전극(30); 상기 하부 전극(30) 위에 형성된 활성층(20); 및 상기 활성층(20) 위에 형성된 상부 전극(10)을 포함하며,
상기 활성층(20)에 사용되는 이온의 종류는 금속이온 Ag, Cu, Li, Mg 또는 양이온(oxygen vacancy) Na+, Ca+이 사용되며, 상기 활성층은 절연 특성을 갖는 모든 종류의 물질이 사용된다.
도 2(b)를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자소자는 하부 전극(30); 상기 하부 전극(30) 위에 형성된 활성층(20); 및 상기 활성층(20)과 상부 전극 사이에 형성되는 이온 소스층(21); 상기 이온 소스층(21) 위에 형성되는 상부 전극(10)을 포함한다.
도 2(c)를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자소자는 하부 전극(30); 상기 하부 전극(30)과 활성층(20) 사이에 형성되는 이온 소스층(21); 상기 이온 소스층(21) 위에 형성된 활성층(20); 및 상기 활성층(20) 위에 형성된 상부 전극(10)을 포함한다.
활성층(20)에 사용되는 이온의 종류는 금속이온(Ag, Cu, Li, Mg....) 또는 양이온(oxygen vacancy, Na+, Ca+....)이 사용될 수 있다. 활성층(20)은 절연특성을 가지는 모든 종류의 물질을 이용할 수 있다.
상부 전극(10), 하부 전극(30)은 금속 물질 또는 전도성 특성을 가지는 물질을 사용할 수 있다.
실시예에서는, 위의 설명된 방식으로 제작된 활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자 소자는 상부 전극(10)은 Ni, 활성층(20)은 Al2O3, 그리고 하부 전극(30)은 Ni를 사용하였다.
활성층에 사용된 이온의 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자(실버 이온 배터리), 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치 소자(스위치), 정보 저장 소자(메모리)에 사용될 수 있다.
도 3은 2 weight %의 Ag 이온을 포함한 구조를 보인 사진이다.
도 3은 위의 설명된 방식으로 제작된 이온 농도에 따른 전자 소자를 보여주고 있다. 상부 전극(10)은 Ni, 활성층(20)은 Al2O3, 그리고 하부 전극(30)은 Ni를 사용하였다. 실시예에서는, 활성층(20)에 사용된 이온은 일 실시예에서는 Ag를 사용하였으며 마찬가지로 다른 실시예에서는 Mg를 사용할 수 있으며, 농도 제어를 위하여 활성층(Al2O3) 내에 Ag 이온을 doping하였다. 활성층에서, Ag 이온 doping 농도가 클수록 초기 저항 값(initial Resistance) 줄어드는 것을 확인하였다(도 4).
도 4는 Ag 이온 doping 농도에 따른 초기 저항 값 변화 보인 그림이다.
이하, 도 1의 실시예에서 이온 소스층을 사용하지 않을때, 도 5-8에 대하여 활성층(20) 내에 도핑된 Ag 이온 농도에 따른 전자 소자의 특성을 설명한다.
도 5는 도 1의 상부 전극(10)-활성층(20)-하부 전극(30) 구조에서 활성층(20) 내에 사용된 Ag 이온 0 % doping시, 절연체 특성을 보이는 소자의 그림이다.
활성층(20)에 Ag 이온이 없으면, 절연체(insulator) 특성을 가지며, 이 경우, 이온 농도에 따른 전자소자는, 상부 전극(10)-활성층(20)-하부 전극(30) 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 갖는다.
활성층(20)에 Ag 이온이 없으면, 소자의 상부 전극(10)과 하부 전극(30)에 -4V ~ +4V 전압을 인가하면 100nA 이하의 전류가 흐르므로, 활성층(20)은 절연체 특성을 갖는다.
도 6은 도 1의 상부 전극(10)-활성층(20)-하부 전극(30) 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.008%로 높아졌을 때, 소자는 에너지 저장 소자(silver ion 배터리)의 특성을 보여주고 있다.
도 7은 도 1의 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.04%로 더 높아졌을 때, 소자는 스위치 특성을 보여준 그림이다.
① 0 ~ 3.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 절연체 특성, 3.7 ~ 4 V 전압부터 스위치 ON 상태 10 μA 전류가 흐른다(스위치 ON).
② 전압을 줄이게 되면, 2.2V~0.7V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐른다(스위치 OFF).
③ (-) 네거티브 전압 구간에서, -1.7V ~ -3V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 ON 상태 -10 μA 전류가 흐른다(스위치 ON).
④ (-) 네거티브 전압 구간에서, -3V ~ -0.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐른다(스위치 OFF).
도 8은 도 1의 구조에서 활성층 내에 Ag 이온의 농도를 0.2%로 더욱 더 높였을 때, 소자는 메모리 특성을 보여준 그림이다.
① 2.2V -> 2.3V로 전압이 증가하면 급상승 곡선에서 고 저항 상태-> 저 저항 상태
② 2.3V ~ 5V 내의 구간 이면, 저 저항 상태
③ 0 ~ -2.7V의 구간 이면, 저 저항 상태
④ -4V, -3V, -2.7V 구간(-2.7V 보다 절대치가 더 큰 전압이 인가되는 구간)에서는, 저 저항 상태 -> 고 저항 상태
활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자소자의 메모리 특성은 ①, ④는 고 저항 상태가 되며, ②, ③은 저 저항 상태가 된다.
이는 저항 변화 메모리 소자의 특성을 갖는다.
저항 변화 메모라 소자는 저항이 높아 전류가 잘 흐르지 않는 OFF state를 HRS(High Resistance State)라고 하며, 반대로 저항이 낮아 전류가 잘 흐르는 ON state를 LRS(Low Resistance State)라고 한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 상부 전극 20: 활성층
21: 이온 소스층 30: 하부 전극

Claims (6)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 위에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 위에 형성된 상부 전극을 포함하는 전자 소자를 구비하며,
    상기 활성층에 사용되는 이온의 종류는 금속이온 Mg가 사용되며, 상기 활성층은 절연 특성을 갖는 모든 종류의 물질이 사용되고,
    상기 전자 소자의 이온의 농도를 제어하는 방법은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법 중 어느 하나를 사용하며,
    상기 활성층은 (1) 이온을 포함한 활성층을 이용하는 방법, (2) 상기 활성층에 이온을 doping 또는 diffusion 시키는 방법을 사용하지 않는 경우,
    상부 전극과 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층; 또는 상기 하부 전극과 상기 활성층 사이에 삽입된 이온 소스층을 더 포함하며,
    상기 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 상기 활성층에 Mg 이온 또는 Ag 이온이 사용되는 경우, 상기 활성층 내에 사용된 Ag 이온 0% doping시, 상기 활성층에 Ag 이온이 없으면, 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극과 하부 전극에 -4V ~ +4V 전압을 인가하면 100nA 이하의 전류가 흐르므로, 상기 활성층은 절연체 특성을 보이며, 상기 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 가지며,
    상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 활성 층 내에 Ag 이온의 농도가 0.008%로 높아졌을 때, 상기 소자는 에너지 저장 소자 인 실버 이온 배터리의 특성을 가지며,
    상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 상기 활성층 내에 Ag 이온의 농도가 0.04%로 더 높아졌을 때, 상기 소자는 스위치 특성을 보이며,
    ① 0 ~ 3.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 절연체 특성, 3.7 ~ 4 V 전압부터 스위치 ON 상태 10 μA 전류가 흐르고(스위치 ON),
    ② 전압을 줄이게 되면, 2.2V~0.7V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐르며(스위치 OFF),
    ③ (-) 네거티브 전압 구간에서, -1.7V ~ -3V 구간의 전압이 내려가는 급하강 곡선에서는 스위치 ON 상태 -10 μA 전류가 흐르고(스위치 ON),
    ④ (-) 네거티브 전압 구간에서, -3V ~ -0.7V 구간의 전압이 올라가는 급상승 곡선에서는 스위치 OFF 상태 0 A 전류가 흐르는(스위치 OFF),
    상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자는 에너지 저장 소자 인 배터리, 트랜지스터를 사용하는 2단자 스위치, 정보 저장 소자 인 메모리에 사용되는, 이온 농도에 따른 전자소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 이온이 없으면, 절연체 특성을 가지며,
    이 경우, 상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자소자의 상부 전극-활성층-하부 전극은 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 구조를 갖는, 이온 농도에 따른 전자소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 금속물질 또는 전도성 특성을 갖는 물질을 사용하는, 이온 농도에 따른 전자소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 Ni, 상기 활성층은 Al2O3, 그리고 상기 하부 전극은 Ni를 사용하는, 이온 농도에 따른 전자소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자 소자의 상부 전극-활성층-하부 전극 구조에서 상기 활성층 내에 Ag 이온의 농도를 0.2%로 더욱 더 높였을 때, 상기 소자는 메모리 특성을 보이며,
    ① 2.2V -> 2.3V로 전압이 증가하면 급상승 곡선에서 고 저항 상태-> 저 저항 상태,
    ② 2.3V ~ 5V 내의 구간 이면, 저 저항 상태,
    ③ 0 ~ -2.7V의 구간 이면, 저 저항 상태,
    ④ -4V, -3V, -2.7V 구간(-2.7V 보다 절대치가 더 큰 전압이 인가되는 구간)에서는, 저 저항 상태 -> 고 저항 상태가 되며,
    상기 활성층에 사용된 금속 이온의 농도에 따른 전자소자의 메모리 특성은 ①, ④는 고 저항 상태가 되며, ②, ③은 저 저항 상태가 되며, 저항 변화 메모리 소자의 특성을 갖는, 이온 농도에 따른 전자소자.
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