KR102596863B1 - 뉴로모픽 소자 - Google Patents
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Abstract
본 출원의 일 실시예에 따르면, 강유전체 고체전해질 내부의 분극과 서로 다른 금속 이온과의 상호작용 크기를 제어함으로써, 동일 시스템 내에서 생물학적 뉴런 및 시냅스 특성을 모방하고 에너지 효율이 좋은 인공 뉴런 및 시스템 레벨로 응용할 수 있는 고성능 모노리틱 시스템을 제공하고자 한다.
Description
본 출원은 뉴로모픽 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일 시스템 내에서 고성능 인공 뉴런 및 시냅스 제작이 가능한 고성능 모노리틱 시스템에 관한 것이다.
신경모방 컴퓨팅(neuromorphic computing)에서, 시냅스와 뉴런 소자는, 시냅스 가소성(synaptic plasticity)과 integration & firing으로 알려져 있는 것처럼, 두 신경 세포(neuron)들 사이에서 시냅스의 연결강도를 변화시키고, 시냅스로부터 들어오는 신호들을 통합하고, 그 통합된 신호가 특정 전압이상일 경우, 발화하는 특성을 모방하는 소자들로 핵심역할을 한다. 특히, 시냅스 소자의 경우에는 신경모방 컴퓨팅의 성능에 영향을 많이 미치는 cycle-to-cycle 산포, device-to-device 산포가 아주 중요한 핵심 파라미터이다. 또한, 인간의 뇌는 병렬처리 기반으로 초고집적이며, 초저에너지의 시스템이다. 따라서, 신경모방 컴퓨팅 시스템 레벨로 응용 가능한 소자는 초간단 회로, 초저에너지까지 가능한 소자로 구성되어야 한다.
생물학적 뉴런과 시냅스는 각각 integration & firing, 점진적인 가소성 제어와 같은 특성을 가지며 인간의 뇌에서 맡은 역할이 다르다. 이를 모방하기 위해 기존의 산화물 고체 전해질 기반 전도성 필라멘트 소자에서는 산화물 고체 전해질 또는 구조를 생물학적 뉴런과 시냅스 각각의 역할에 맞게 제어하였다. 이 결과 뉴로모픽 시스템 제작에 필요한 소재의 종류가 많아지고 공정이 늘어나는 단점이 있다. 또한, 기존의 전도성 필라멘트 소자는 전기장에 의한 이동속도가 기하급수적으로 증가하여 제어가 어려운 금속이온을 이용하기 때문에 높은 아날로그 스위칭 on/off 비율이 동반된 생물학적 시냅스 특성 구현이 어렵다는 단점과 cycle-to-cycle 산포, device-to-device 산포가 커서 시스템 레벨로 응용하기에 어려운 단점이 있다.
강유전체 도메인 구성의 변화에 따라 점진적인 전도도 조절이 동반되는 이단자 강유전체 터널 접합(ferroelectric tunnel junction, FTJ)은 낮은 에너지 소비를 가지는 시냅스 소자(device)로 고려된다. 하지만, 강유전체 터널 접합(FTJ) 소자는 강유전체의 특성인 외부에서 인가되는 전압이 없어도 내부의 분극 상태를 유지하는 비휘발성의 특성으로 인해 생물학적 뉴런과 같은 스위치 특성을 구현하기 어렵다. 게다가 강유전체 터널 접합 기반 또는 전도성 필라멘트 기반 소자에서는 하나의 활성층을 이용하여 생물학적 뉴런 및 시냅스 특성을 동시에 구현한 보고가 없다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 강유전체 고체전해질 내부의 분극과 서로 다른 금속 이온의 서로 다른 양이온 이동속도를 이용함으로써, 동일 시스템 내에서 생물학적 뉴런 및 시냅스 특성을 동시에 모방하고 에너지 효율이 좋은 인공 뉴런 및 시스템 레벨로 응용할 수 있는 고성능 모노리틱 시스템을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 측면은 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 교대로 위치된 제 1 활성층 및 제 2 활성층; 및 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 2 전극층을 포함하며, 상기 제 1 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 점진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 두뇌 모사 또는 메모리 소자이고, 상기 제 2 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 급진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 선택 또는 스위치 소자인 융합 소자에 관한 것이다.
본 출원의 다른 측면은 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 3 전극층; 상기 제 3 전극층 상에 배치된 제 3 활성층; 상기 제 3 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 4 전극층; 상기 제 3 활성층과 상기 제 4 전극층을 사이에 두고 대향하여 배치된 제 4 활성층; 및 상기 제 4 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수평 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 5 전극층을 포함하며, 상기 제 3 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 점진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 두뇌 모사 또는 메모리 소자이며, 상기 제 4 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 급진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 선택 또는 스위치 소자인 융합 소자에 관한 것이다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 강유전체 고체전해질 PZT 및 활성 금속(active metal)을 이용하여 Ag 또는 Cu 또는 Ni/PZT/LSMO 구조를 동일 시스템 내에서 구현할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 생물학적 뉴런 및 시냅스 특성이 모방 가능한 고성능 모노리틱 시스템을 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 뉴로모픽 시스템 제작 공정의 간편화가 가능하다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 전도성 필라멘트가 제어된 시냅스 소자를 이용하여 높은 아날로그 스위칭 on/off 비율이 동반된 생물학적 시냅스 특성을 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, cycle-to-cycle 산포 감소 효과를 제공할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, device-to-device 산포 감소 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예인 PZT 초박막의 강유전성 및 Ag 또는 Cu 또는 Ni/PZT/LSMO 구조에서의 전류-전압를 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예의 반복된 펄스(자극)의 크기에 의존하는 뉴런 모방 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예의 시냅스 모방 특성, cycle-to-cycle, device-to-device 산포 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시예인 PZT 초박막의 강유전성 및 Ag 또는 Cu 또는 Ni/PZT/LSMO 구조에서의 전류-전압를 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 본 출원의 일 실시예의 반복된 펄스(자극)의 크기에 의존하는 뉴런 모방 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 출원의 일 실시예의 시냅스 모방 특성, cycle-to-cycle, device-to-device 산포 특성을 나타내는 그래프이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 일측면인 융합 소자를 상세히 설명한다. 다만, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 일측면인 융합 소자가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 출원의 일 실시예인 융합 소자를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 출원은 동일 시스템 내에서 생물학적 뉴런 및 시냅스 특성을 모방하고 에너지 효율이 좋은 인공 뉴런 및 시스템 레벨로 응용할 수 있는 고성능 모노리틱 시스템을 제공하고자 한다.
모노리틱 시스템은 융합 소자를 포함하며, 상기 융합 소자는 수직형 융합 소자 또는 수평형 융합 소자일 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 출원의 일 실시예인 수평형 융합 소자 및 수직형 융합 소자를 각각 설명하기 위한 모식도이다. 다만, 이러한 구조는 설명을 위한 예시일 뿐 본 출원을 제한하는 것은 아니다.
1. 수평형 융합 소자
도 2에 도시한 바와 같이, 수평형 융합 소자는 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 1 전극층(11); 상기 제 1 전극층(11) 상에 배치되고, 교대로 위치된 제 1 활성층(17) 및 제 2 활성층(19); 및 상기 제 1 활성층(17) 및 제 2 활성층(19) 상에 배치되고, 상기 제 1 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 2 전극층(15)을 포함할 수 있다.
(1) 기판
여기서, 기판은 선택적으로 포함될 수 있다. 기판은 단결정성 재료 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 특히 단결정성 재료로서, 미스매치(mismatch)가 최소로 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, SrTiO3, LaAl2O3, YSZ 또는 MgO 등의 단결정성 재료를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
(2) 제 1 전극(하부 전극)
본 출원의 일실시예인 수평형 융합 소자는 복수의 제 1 전극을 포함한다.
복수의 제 1 전극층은 페로브스카이트 결정구조를 가지는 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 용어 "페로브스카이트 산화물"은 천연광물인 CaTiO3와 같은 결정 구조를 가지는 화합물을 의미하며, 예를 들면, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
AMX3
상기 화학식 1에서, A 및 M은 금속 양이온이고, X는 산소 음이온을 나타낸다. 하나의 예시에서, 상기 A는 1가의 유기 양이온이며, 예를 들면, 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이고, M은 2가의 금속 양이온, 예를 들면, Sn, Ge, Pb, Cu, Zn, Mn, Cr, Ti 및 V 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 양이온이며, X는 산소 음이온을 나타낸다.
상기 화학식 1을 만족하는 화합물은 페로브스카이트 구조를 가지며, M은 페로브스카이트 구조에서 단위 셀(unit cell) 의 중심에 위치하며, X는 단위셀의 각 면 중심에 위치하여 M을 중심으로 옥타헤드론(octahedron) 구조를 형성하며, A는 단위셀의 각 코너(corner)에 위치할 수 있다. 즉, MX6 옥타헤드론(octahedron)이 코너-쉐어링(corner-shearing)된 3차원 네트워크에 A 양이온이 중간에 위치한 형태일 수 있다. 달리 표현하면, 페로브스카이트 구조는 단위 셀에서, 금속 양이온인 M을 중심으로 산소 음이온인 X가 MX6 형태의 옥타헤드론(octahedron)을 형성하며, 양이온 A가 옥타헤트론의 바깥 측면의 각 코너에 위치하는 구조를 의미할 수 있다. 페로브스카이트 구조는 잘 알려진 바와 같이, K2NiF4 형태 혹은 동류의 층상 페로브스카이트 구조에서부터 SrTiO3 형태 혹은 동류의 완전한 3차원 큐빅(cubic) 페로브스카이트 구조를 모두 포함할 수 있다.
상기 전도성 산화물로는, 바람직하게는, La1-xSrxMnO3(LSMO)이며 상기 x는 0 초과 1 미만일 수 있으며, 바람직하게는 La0.8Sr0.2MnO3를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제 1 전극층의 두께는 20 내지 200 nm이며, 바람직하게는 5 내지 50 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극을 20 내지 200 nm의 두께로 형성함으로써, 소자의 제작 및 용도에 맞는 적절한 두께를 제공할 수 있다. 20 내지 200 nm이며, 바람직하게는 5 내지 50 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
(3) 활성층(선택소자 및 두뇌모사소자)
본 출원의 일 실시예인 융합 소자는 상기 제 1 전극층(11) 상에 배치되고, 교대로 위치된 제 1 활성층(17) 및 제 2 활성층(19)을 포함한다.
제 1 활성층 및 제 2 활성층 각각은 강유전체를 포함한다.
본 명세서에서 용어 "강유전체"는 자연 상태에서 자발 분극을 가지고 있는 물질을 의미하고, 상기 자발 분극은 외부 전기장에 의해 방향이 바뀔 수 있다. 상기 강유전체는, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 산화물일 수 있다.
본 명세서에서 용어 "A 상에 배치된 B"는 A의 표면에 B가 다른 층을 매개로 하지 않고 직접 부착되어 있는 경우와 A와 B의 사이에 다른 층이 존재하는 경우 모두를 의미한다.
하나의 예시에서, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 산화물은 Pb(Zr1-yTiy)O3(PZT)이며, 상기 y는 0 초과 1 미만일 수 있으며, 바람직하게는 PbZr0.52Ti0.48O3를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극에 전압이 인가되는 경우, 상기 전극의 금속이 이온화되어, 상기 전극의 분극방향 및 외부 전기장에 의해 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 내로 유입되거나 유출되어 필라멘트가 형성된다.
상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리되는 것이 바람직하다.
포스트 어닐링은 1시간 내지 2시간 동안 550 내지 600℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 1시간 미만인 경우에는 활성화층 내부의 결함이 증가하여, 두뇌 모사 특성 구현의 어려움이 있고, 2시간을 초과하는 경우에는 활성화층 내부의 결함이 극단적으로 감소하여, 선택 소자 특성 구현이 제한되는 문제점이 있다. 또한, 550℃ 미만인 경우에는 활성화층 내부의 결함 제어가 어려우며, 600℃ 초과인 경우에는 활성화층의 Pb가 휘발되어 활성화층의 물리적특성인 강유전성 구현의 어려움이 있다.
펄스형 레이져 증착(PLD)은 공지된 혹은 상업적으로 입수 가능한 장치 내에 서 수행될 수 있으며, 본 명세서에서 제한적인 것으로 언급한 조건 이외에의 조건(예컨대, 챔버 내 압력, 증 착의 분위기, 온도, 출력, 전압 등)은 공지된 조건을 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
상기 제 1 활성층은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리된다. 이를 통하여, 제 1 활성층 내의 결함(defect)을 최소화하여, 추후 설명하는 바와 같이, Cu 또는 Ni 상부전극과 접합 시, 전압이 인가되는 경우에 형성되는 금속 필라멘트의 직경이 크게 제어되어, 느린 속도로 이동하는 금속 이온에 의해 메모리 특성이 구현될 수 있다. 이러한 특성은 비휘발성 메모리 장치에 이용할 수 있다.
상기 제 1 활성층의 두께는, 2 내지 10 nm이며, 바람직하게는 3 내지 5 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층을 2 내지 10 nm의 두께로 형성함으로써, 전술한 활성 금속 이온이 상기 제 1 활성층으로 또는 상기 제 1 활성층으로부터 원활하게 이동할 수 있으며, 이에 따라, 금속의 양이온 이동 현상 및 강유전체의 분극 반전 현상을 동시에 이용할 수 있으며, 외부 전기장 및 강유전체 박막 내부의 분극에 의한 내부 전기장을 동시에 제어할 수 있다. 이를 통하여, 외부 전기장과 강유전체 내부의 전기장에 의해 느리게 이동하게 되는 후술하는 활성 금속 이온의 산화환원 현상으로 유도되는 국소적인 필라멘트의 형성으로 인해 높은 저항에서 낮은 저항으로 점진적인 저항 변화를 일으키고, 필라멘트의 폭이 두꺼워 메모리 특성이 구현되고, 생물학적 시냅스의 특성을 모사할 수 있다.
상기 제 2 활성층은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리된다. 이를 통하여, 제 2 활성층 내의 결함(defect)을 최소화하여, 추후 설명하는 바와 같이, Ag 상부전극과 접합 시, 전압이 인가되는 경우에 형성되는 금속 필라멘트의 직경이 매우 작게 제어되어, 아주 빠른 속도로 이동하는 금속 이온에 의해 곧바로 자연스럽게 파괴되는 현상에 의해서 일반적인 이온 이동 기반 메모리 특성이 구현되지 않고, 스위치 소자의 특성이 구현될 수 있다. 이러한 특성은 휘발성 메모리 장치에 이용할 수 있다.
상기 제 2 활성층의 두께는, 2 내지 10 nm이며, 바람직하게는 3 내지 5 nm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층을 2 내지 10 nm의 두께로 형성함으로써, 전술한 활성 금속 이온이 상기 제 2 활성층으로 또는 상기 제 제 2 활성층으로부터 원활하게 이동할 수 있으며, 이에 따라, 금속의 양이온 이동 현상 및 강유전체의 분극 반전 현상을 동시에 이용할 수 있으며, 외부 전기장 및 강유전체 박막 내부의 분극에 의한 내부 전기장을 동시에 제어할 수 있다. 이를 통하여, 외부 전기장과 강유전체 내부의 전기장에 의해 아주 빠르게 이동하게 되는 후술하는 활성 금속 이온의 산화환원 현상으로 유도되는 국소적인 필라멘트의 형성으로 인해 높은 저항에서 낮은 저항으로 급작스러운 저항 변화를 일으키지만, 필라멘트의 폭이 얇아 아주 빠른 속도로 이동하는 활성 금속 이온에 의해 곧바로 자연스럽게 파괴되는 스위치 특성이 구현되고, 생물학적 뉴런 특성을 모사할 수 있다.
(4) 제 2 전극(상부 전극)
본 출원의 일 실시예인 융합 소자는 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 2 전극층을 포함한다.
상기 복수의 제 1 전극층은 제 1 금속 전극층과 제 2 금속 전극층이 교대로 배치된다.
제 1 금속 전극층은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제 2 금속 전극층은 은(Ag)을 포함할 수 있다. 여기서, 서로 다른 활성 금속인 은, 구리, 니켈 기반 전도성 필라멘트 소자 각각의 DC sweep 측정을 통한 전하수송 특성을 이용할 수 있다.
본 명세서에서 용어 "활성 금속(active metal)"은 외부 바이어스 또는 외부 전기장의 인가에 의해 전자를 잃고 양이온을 내어 놓을 수 있는 금속을 의미하거나, 또는 전기화학 전지 내에서 고체 또는 액체 전해질과의 상호작용에 의해 전자를 잃고 양이온을 내어 놓을 수 있으며, 전해 반응(electrolytic reaction)에 직접 참여하는 금속을 의미한다. 상기 활성 금속은 비활성 금속(inert metal)과 구분되며, 예를 들면, 상기 비활성 금속은 전해 반응에 직접 참여하지 않는 금속을 의미한다. 예를 들어, 상기 비활성 금속으로는 철, 흑연 또는 백금 등이 예시될 수 있다.
전술하는 활성층(PZT) 내부로 또는 활성층으로부터 상기 금속 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 스위치 소자에 소정의 전압이 인가되면, 상기 활성 금속층 내의 금속은 이온화된다. 이 경우, 상기 금속 이온은 활성층 내로 유입되거나 상기 활성층으로부터 유출될 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 금속의 양이온 이동 현상 및 강유전체의 분극 반전 현상을 동시에 이용할 수 있으며, 외부 전기장 및 강유전체 박막 내부의 분극에 의한 내부 전기장을 동시에 제어할 수 있다.
본 출원에서 전술한 구조는 최소 단위가 될 수 있으며, 따라서 본 출원은 동일한 구조를 반복적으로 배치한 하나의 시스템을 포함할 수 있다.
더불어, 융합 소자의 제조를 위하여, 본 출원이 속한 기술분야에서 추가적으로 포함될 수 있는 공지의 구성요소 또는 단계는 어떠한 구성요소 또는 단계라도 추가될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성된 융합 소자는 먼저 펄스 제너레이터에 의하여 두뇌 모사 또는 메모리 소자에 전압이 인가되면, 커패시터가 자발 분극되고, 또한, 양이온이 느린 속도로 이동을 하게 되어 점진적으로 두꺼운 필라멘트를 형성하게 되어 점진적인 전류 변화를 유도할 수 있으며, 이 상태가 외부 전압이 인가되지 않더라도 변화된 전류 상태를 그대로 유지할 수 있다. 이렇게 임의 또는 단계적으로 저항이 조정된 두뇌 모사 또는 메모리 소자를 통하여 상기 뉴런 모사 또는 스위치 소자에 펄스 제너레이터를 이용하여 전압을 인가시켜, 커패시터의 자발 분극을 유도한다. 또한, 양이온의 빠른 속도로 이동을 통해 갑작스러우면서 얇은 필라멘트가 형성되어 갑작스러운 전류 변화를 유도할 수 있으며, 이 상태는 외부 전압이 인가되지 않으면 변화된 전류 상태를 그대로 유지할 수 없는 스위치 특성을 이용하여 시냅스 소자 또는 메모리 소자의 저항 상태를 센싱할 수 있다. 최종적으로 제어된 펄스에 의해 두뇌 모사 또는 메모리 소자와 뉴런 모사 또는 스위치 소자를 조작하여 회로 구성의 최소 단위가 완성 된다.
2. 수직형 융합 소자
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 수직형 융합 소자는 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 3 전극층(21); 상기 제 3 전극층(21) 상에 배치된 제 3 활성층(27); 상기 제 3 활성층(27) 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층(21)의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 4 전극층(23); 상기 제 3 활성층(27)과 상기 제 4 전극층(23)을 사이에 두고 대향하여 배치된 제 4 활성층(29); 및 상기 제 4 활성층(29) 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층(21)의 길이 방향과 수평 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 5 전극층(25)을 포함한다.
(1) 기판
전술한 수평형 융합 소자에서 설명된 기판에 대한 설명이 수직형 융합 소자에 적용될 수 있다.
(2) 제 3 전극층(하부 전극)
구체적으로, 수직형 융합 소자는 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 3 전극층(21)을 포함한다.
제 3 전극층은 은을 포함할 수도 있고, 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
다만, 그 전극의 위치에 따라서 소자의 역할 메모리 또는 스위치로 달라진다. 따라서, 제 3활성층을 두뇌모사 소자로 정했기 때문에 제 3 전극층은 구리 또는 니켈을 포함한다.
(3) 제 3 활성층(두뇌모사소자)
그리고, 수직형 융합 소자는 상기 제 3 전극층 상에 배치된 제 3 활성층을 포함한다.
제 3 활성층은 강유전체를 포함한다. 전술한 바와 유사하게, 본 명세서에서 용어 "강유전체"는 자연 상태에서 자발 분극을 가지고 있는 물질을 의미하고, 상기 자발 분극은 외부 전기장에 의해 방향이 바뀔 수 있다. 상기 강유전체는, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 산화물일 수 있다.
하나의 예시에서, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 산화물은 Pb(Zr1-yTiy)O3(PZT)이며, 상기 y는 0 초과 1 미만일 수 있으며, 바람직하게는 PbZr0.52Ti0.48O3를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극에 전압이 인가되는 경우, 상기 전극의 금속이 이온화되어, 상기 전극의 분극방향 및 외부 전기장에 의해 상기 제 3 활성층 내로 유입되거나 유출되어 필라멘트가 형성된다.
상기 제 3 활성층은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리되는 것이 바람직하다.
펄스형 레이져 증착(PLD)은 공지된 혹은 상업적으로 입수 가능한 장치 내에 서 수행될 수 있으며, 본 명세서에서 제한적인 것으로 언급한 조건 이외에의 조건(예컨대, 챔버 내 압력, 증 착의 분위기, 온도, 출력, 전압 등)은 공지된 조건을 적절히 선택할 수 있으며 특별히 제한되지 않는다.
상기 제 3 활성층은 전술하는 활성층(PZT) 내부로 또는 활성층으로부터 상기 금속 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 스위치 소자에 소정의 전압이 인가되면, 상기 활성 금속층 내의 금속은 이온화된다. 이 경우, 상기 금속 이온은 활성층 내로 유입되거나 상기 활성층으로부터 유출될 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 금속의 양이온 이동 현상 및 강유전체의 분극 반전 현상을 동시에 이용할 수 있으며, 외부 전기장 및 강유전체 박막 내부의 분극에 의한 내부 전기장을 동시에 제어할 수 있다.
(4) 제 4 전극층(중부 전극)
상기 수직형 융합 소자는 상기 제 3 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 4 전극층을 포함한다.
복수의 제 4 전극층은 페로브스카이트 결정구조를 가지는 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
상기 전도성 산화물로는, 바람직하게는, La1-xSrxMnO3(LSMO)이며 상기 x는 0 초과 1 미만일 수 있으며, 바람직하게는 La0.8Sr0.2MnO3를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 수직형 융합 소자에서 설명된 전도성 산화물에 대한 내용이 제 4 전극층에 적용될 수 있다.
(5) 제 4 활성층(선택소자)
수직형 융합 소자는 상기 제 3 활성층과 상기 제 4 전극층을 사이에 두고 대향하여 배치된 제 4 활성층을 포함한다.
전술한 제 3 활성층에 대한 내용이 제 4 활성층에 적용될 수 있다.
(6) 제 5 전극층(상부 전극)
수직형 융합 소자는 상기 제 4 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수평 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 5 전극층을 포함한다.
상기 제 5 전극층은 은(Ag)을 포함할 수 있다. 여기서, 활성 금속인 은 기반 전도성 필라멘트 소자의 DC sweep 측정을 통한 전하수송 특성을 이용할 수 있다.
전술하는 활성층(PZT) 내부로 또는 활성층으로부터 상기 금속 이온이 원활하게 이동할 수 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 스위치 소자에 소정의 전압이 인가되면, 상기 활성 금속층 내의 금속은 이온화된다. 이 경우, 상기 금속 이온은 활성층 내로 유입되거나 상기 활성층으로부터 유출될 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 금속의 양이온 이동 현상 및 강유전체의 분극 반전 현상을 동시에 이용할 수 있으며, 외부 전기장 및 강유전체 박막 내부의 분극에 의한 내부 전기장을 동시에 제어할 수 있다.
본 출원에서 전술한 구조는 최소 단위가 될 수 있으며, 따라서 본 출원은 동일한 구조를 반복적으로 배치한 하나의 시스템을 포함할 수 있다.
더불어, 융합 소자의 제조를 위하여, 본 출원이 속한 기술분야에서 추가적으로 포함될 수 있는 공지의 구성요소 또는 단계는 어떠한 구성요소 또는 단계라도 추가될 수 있다.
전술한 바와 같이 구성된 융합 소자는 먼저 펄스 제너레이터에 의하여 두뇌 모사 또는 메모리 소자에 전압이 인가하면, 커패시터가 자발 분극되고, 또한, 양이온이 느린 속도로 이동을 하게 되어 점진적으로 두꺼운 필라멘트를 형성하게 되어 점진적인 전류 변화를 유도할 수 있으며, 이 상태가 외부 전압이 인가되지 않더라도 변화된 전류 상태를 그대로 유지할 수 있다. 이렇게 임의 또는 단계적으로 저항이 조정된 두뇌 모사 또는 메모리 소자를 통하여 상기 뉴런 모사 또는 스위치 소자에 펄스 제너레이터를 이용하여 전압을 인가시켜, 커패시터의 자발 분극을 유도한다. 또한, 양이온의 빠른 속도로 이동을 통해 갑작스러우면서 얇은 필라멘트가 형성되어 갑작스러운 전류 변화를 유도할 수 있으며, 이 상태는 외부 전압이 인가되지 않으면 변화된 전류 상태를 그대로 유지할 수 없는 스위치 특성을 이용하여 시냅스 소자 또는 메모리 소자의 저항 상태를 센싱할 수 있다. 최종적으로 제어된 펄스에 의해 두뇌 모사 또는 메모리 소자와 뉴런 모사 또는 스위치 소자를 조작하여 회로 구성의 최소 단위가 완성 된다.
전술한 바와 같이, 제 1 활성층 또는 제 3 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 (0.1 ~ 10 GΩ) 에서 낮은 저항 (1 ~ 100 MΩ) 으로 점진적인 저항 변화 상태 () 를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 두뇌 모사 또는 메모리 소자이고, 제 2 활성층 또는 제 4 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 (0.1 ~ 10 ) 에서 낮은 저항 (1 ~ 100 MΩ) 으로 급진적인 저항 변화 상태 () 를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 상대적으로 높은 저항 상태 (0.1 ~ 10 ) 를 유지하는 선택 또는 스위치이다.
이는 제 1 활성층과 제 2 활성층에 대하여 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 제 1 활성층이 제 2 활성층에 비하여 상대적으로 높은 저항 (0.1 ~ 10 GΩ) 에서 상대적으로 낮은 저항 (1 ~ 100 MΩ) 으로의 보다 급진적인 저항 변화 상태 (총 저항 변화의 20 ~ 70% / 1 자극)를 나타내고, 제 1 활성층과 제 2 활성층에 대하여 (-) 방향의 전압이 인가되는 경우에는 모두 높은 저항 상태 (0.1 ~ 10 GΩ) 를 유지하는 것으로 도출된다.
또한, 이는 제 3 활성층과 제 4 활성층에 대하여 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 제 3 활성층이 제 4 활성층에 비하여 상대적으로 높은 저항 (0.1 ~ 10 GΩ) 에서 상대적으로 낮은 저항 (1 ~ 100 MΩ) 으로의 보다 급진적인 저항 변화상태 (총 저항 변화의 20 ~ 70% / 1 자극)를 나타내고, 제 3 활성층과 제 4 활성층에 대하여 (-) 방향의 전압이 인가되는 경우에는 모두 상대적으로 높은 저항 상태 (0.1 ~ 10 GΩ) 를 유지하는 것으로 도출된다.
이하, 실험예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명한다.
[실험예 1]
PZT/LSMO 헤테로 구조의 박막은 KrF 엑시머 레이저 (λ=248 nm)를 이용한 펄스레이저증착(pulsed laser deposition, PLD)에 의하여 단결정 SrTiO3(001) 기판에 성장되었다. 회전하는 LSMO와 PZT 타겟 상에 조사된 레이저 빔(1 Hz 반복률)의 에너지 밀도는 750 mJ/cm2이었다. 상기 LSMO와 PZT 막은 각각 100 mTorr와 200 mTorr 산소압으로 675℃와 550℃에서 증착되었다. 증착 후, PZT/LSMO 막은 300 mTorr 산소압으로 550℃에 60분 동안 열처리되었고, 그 다음 5℃/min 속도로 냉각되었다. 뉴런 모사 또는 스위치 소자와 두뇌 모사 또는 메모리 소자의 제조를 위해, 5.0 x 5.0μm2 의 크기를 가지는 Ag(30 nm), Cu(30 nm), Ni(30 nm) 상부 전극을 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)와 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 PZT/LSMO 헤테로 구조 상에 형성하였다.
도 4 내용
제작된 PZT의 강유전성을 확인하기 위한 목적으로 phase와 amplitude 이미지를 측정하는 실험을 하기와 같이 실시하였다.
1.0 V, 17kHz 교류 전압의 조건으로 Piezoresponse Force Microscope (PFM) 방법을 이용하여, 샘플에 대한 phase와 amplitude 이미지를 측정하여 도 4a 및 도 4b에 도시하였다.
도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, PLD방법을 이용하여 제작된 PZT/LSMO 구조에서 PZT 박막의 분극 방향이 인가된 전압의 방향에 따라 전환되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 전환된 분극의 방향이 180 분 후에도 유지되는 비휘발성 특성을 나타내는지 확인하기 위하여, PFM 방법으로 샘플에 대한 phase와 amplitude 이미지를 측정하여 도 4c 및 도 4d에 도시하였다.
도 4c 및 도 4d에 도시한 바와 같이, 바뀐 분극 방향이 유지되는 것을 phase와 amplitude 이미지로 확인되어, 180 분 후에도 유지되는 비휘발성 특성을 확인할 수 있었다.
또한, 직류전압을 인가하여 코어시브 볼티지를 측정하고, 도 4e에 도시하였다.
도 4e에 도시한 바와 같이, ~±0.6V의 코어시브 볼티지를 확인하였다.
[실험예 2]
인가된 전압에 따른 전류의 반응을 확인하기 위한 목적으로 하기와 같은 실험을 실시하였다.
구체적으로, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)와 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 샘플을 제작하였다. 상온에서 HP4156B 장비와 Atomic Force Microscope(AFM) 장비를 연결하여 전류-전압을 측정하였고, 측정된 전류-전압 결과 그래프를 도 4f 내지 도 4h에 각각 도시하였다.
도 4f 내지 도 4h에 도시한 바와 같이, + 방향의 전압을 인가하였을 때, 높은 저항에서 낮은 저항으로 급작스러운 저항 변화 현상 (도 1f)과 점진적인 저항 변화 현상 (도 4g, 4h)을 나타내었다. (-) 방향으로 전압을 인가하였을 때에는 낮은 저항 상태를 유지하고 있는 것이 아니라, 높은 저항 상태를 유지하고(도 4f), 낮은 저항에서 높은 저항으로 점진적인 저항 변화 현상(도 4g, 4h)을 나타내었다. 결과적으로, Ag 기반의 전도성 필라멘트 소자는 급작스럽게 저항이 바뀌는 스위칭 소자의 특성, Cu 또는 Ni 기반의 전도성 필라멘트 소자는 점진적으로 저항이 바뀌는 메모리 소자의 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 외부 전기장에 의해 이온화된 금속 이온과 강유전체 고체전해질 내부 구속 전하간의 상호작용 크기 정도에 따라서 제어되는 전도성 필라멘트의 성장 속도로 인해 유도되는 특성 때문이었다.
[실험예 3]
Ag/PZT/LSMO 구조에 직류펄스에 따른 전류 반응을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
구체적으로 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)와 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 샘플을 제작하였다. 제작된 샘플에 대해 상온에서 Keithley4200 장비와 Atomic Force Microscope (AFM) 장비를 연결하여 직류펄스에 따른 전류 반응을 측정하여, 도 5a 내지 도 5c에 각각 도시하였다.
도 5a 내지 도 5c에 도시한 바와 같이, 반복되는 펄스 자극에 의해 전류가 1.0V일 경우에는 firing하지 않고, 1.1V인 경우에는 integration과 1번의 firing, 1.2V인 경우에는 2 번 firing과 integration 및 자동 리셋 기능을 나타내었다. 이 결과는 생물학적 시냅스 여러 개의 신호가 중첩되어 특정 포텐셜을 넘어가면 발화하는 생물학적 뉴런의 integration and firing 특성을 모방할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 제작된 샘플에 대해 상온에서 Keithley4200 장비와 Atomic Force Microscope (AFM) 장비를 연결하여 초고속 펄스 생성이 가능한 Keithley4200 장비를 이용하여 측정된 초고속 펄스에서의 전류 반응을 도 5d 및 도 5e에 각각 도시하였다.
도 5d 및 도 5e에 도시한 바와 같이, 100ns의 반복되는 펄스 자극을 이용하여 integration and firing 특성을 모방하는 것을 보여주며, 이는 빠른 동작속도를 가지는 효율적인 에너지 소비의 뉴런 소자로 응용 가능할 것으로 예상된다.
[실험예 4]
Ni/PZT/LSMO 구조에 직류펄스에 따른 전류 반응을 확인하기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
구체적으로, 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)와 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 샘플을 제작하였다. 제작된 샘플에 대해 상온에서 Keithley4200 장비와 Atomic Force Microscope (AFM) 장비를 연결하여 직류펄스에 따른 전류 반응을 하나의 소자내에서 반복적인 cycle을 측정하여, 도 6a 내지 도 6c에 각각 도시하였다.
도 6a 내지 도 6c에 도시한 바와 같이, 반복적인 펄스(자극)를 인가하여 점진적으로 변화하는 저항의 높은 아날로그 스위칭 on/off 비율 (~102)을 보여준다. 이를 이용하여 생물학적 시냅스의 점진적인 가소성 제어특성이 모방 가능하다. 더 나아가, 뉴로모픽 시스템 레벨로 응용하기 위해서 중첩된 1200회 이상의 안정적인 cycle-to-cycle 산포를 확인할 수 있었다.
상온에서 Keithley4200 장비와 Atomic Force Microscope (AFM) 장비를 연결하여 직류펄스에 따른 전류 반응을 100개 이상의 소자에서 측정하여, 측정된 각 소자의 직류펄스에 따른 전류 반응을 도 6d 및 도 6e에 각각 도시하였다.
도 6d 및 도 6e에 도시한 바와 같이, 중첩된 100개 이상의 device-to-device 산포를 확인할 수 있었다.
측정된 cycle-to-cycle과 device-to-device 산포 정도를 계산하여 도 6f에 각각 도시하였다.
도 6f에 도시한 바와 같이, < 0.2 이하의 cycle-to-cycle 산포와 < 0.3 이하의 device-to-device 산포를 보였다. 이는 기존의 산화물 고체전해질 기반의 전도성 필라멘트 소자에서 제어가 어려운 전도성 필라멘트를 강유전체 고체전해질 내부 구속 전하와 금속 이온의 상호작용을 이용하여 제어된 안정적인 전도성 필라멘트에 의한 특성이며, 개발된 모노리틱 시스템으로 제작된 시냅스 소자는 시스템 레벨로 응용 가능할 것으로 예상된다.
이러한 실험들을 통하여, 기존의 산화물 고체 전해질 기반 전도성 필라멘트 소자의 불안정한 필라멘트 시스템을 강유전체 고체전해질 내부 구속 전하와 금속 이온의 상호작용을 이용하여 제어된 전도성 필라멘트 시스템으로 동일 시스템 내에서 뉴런과 시냅스 소자가 구현 가능한 모노리틱 시스템의 효과에 대하여 확인할 수 있었다. 이 시스템을 통해, 동작 속도가 아주 빠른 장점으로 인한 효율적인 에너지 소비량을 가지는 고성능 뉴런 소자와 안정적인 전도성 필라멘트 특성을 활용하여 시스템 레벨로 응용 가능한 시냅스 소자까지 동일 강유전체 고체전해질을 이용하여 제작 가능하여 뉴로모픽 시스템 공정을 획기적으로 줄이는 방법을 제공할 수 있음을 확인할 수 있었다.
11: 제 1 전극층
15: 제 2 전극층
17: 제 1 활성층
19: 제 2 활성층
21: 제 3 전극층
23: 제 4 전극층
25: 제 5 전극층
27: 제 3 활성층
29: 제 5 활성층
15: 제 2 전극층
17: 제 1 활성층
19: 제 2 활성층
21: 제 3 전극층
23: 제 4 전극층
25: 제 5 전극층
27: 제 3 활성층
29: 제 5 활성층
Claims (14)
- 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 1 전극층;
상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 교대로 위치된 제 1 활성층 및 제 2 활성층; 및
상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 상에 배치되고, 상기 제 1 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 2 전극층을 포함하며,
상기 제 1 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 점진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 두뇌 모사 또는 메모리 소자이고,
상기 제 2 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 급진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 선택 또는 스위치 소자이며,
상기 제 1 전극층은 La1-xSrxMnO3을 포함하며, 상기 x는 0 초과 1 미만인 융합 소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 각각은 Pb(Zr1-yTiy)O3를 포함하며, 상기 y는 0 초과 1 미만인 융합 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 각각은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리되는 융합 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극층에 전압이 인가되는 경우, 상기 전극층의 금속이 이온화되어, 상기 전극의 분극방향 및 외부 전기장에 의해 상기 제 1 활성층 및 제 2 활성층 내로 유입되거나 유출되어 필라멘트가 형성되는 융합 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 전극은 제 1 금속 전극 및 제 2 금속 전극이 교대로 배치된 융합 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 금속 전극은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제 2 금속 전극은 은(Ag)을 포함하는 융합 소자. - 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 3 전극층;
상기 제 3 전극층 상에 배치된 제 3 활성층;
상기 제 3 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수직 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 4 전극층;
상기 제 3 활성층과 상기 제 4 전극층을 사이에 두고 대향하여 배치된 제 4 활성층; 및
상기 제 4 활성층 상에 배치되고, 상기 제 3 전극층의 길이 방향과 수평 방향으로 배치되며, 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치된 복수의 제 5 전극층을 포함하며,
상기 제 3 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 점진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 두뇌 모사 또는 메모리 소자이며,
상기 제 4 활성층은 (+) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항에서 낮은 저항으로 급진적인 저항 변화 상태를 나타내며, (-) 방향의 전압이 인가되는 경우 높은 저항 상태를 유지하는 선택 또는 스위치 소자인 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 복수의 제 3 전극층은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 포함하는 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 3 활성층 및 제 4 활성층 각각은 Pb(Zr1-yTiy)O3를 포함하며, 상기 y는 0 초과 1 미만인 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 4 활성층은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition)에 의해 형성되고, 형성 후 산소 분위기에서 포스트-어닐링(post-anealing)처리되는 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 전극에 전압이 인가되는 경우, 상기 전극의 금속이 이온화되어, 상기 전극의 분극방향 및 외부 전기장에 의해 상기 제 3 활성층 및 제 4 활성층 내로 유입되거나 유출되어 필라멘트가 형성되는 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 복수의 제 4 전극층은 La1-xSrxMnO3을 포함하며, 상기 x는 0 초과 1 미만인 융합 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 복수의 제 5 전극층은 은(Ag)를 포함하는 융합 소자.
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| JP2018049887A (ja) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 株式会社東芝 | メムキャパシタ、ニューロ素子およびニューラルネットワーク装置 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20170045872A (ko) * | 2015-10-20 | 2017-04-28 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 시냅스 및 이를 포함하는 뉴로모픽 장치 |
| KR101997868B1 (ko) * | 2017-02-14 | 2019-07-09 | 서울대학교 산학협력단 | 뉴로모픽 시스템, 및 기억 장치 |
| KR20180095977A (ko) * | 2017-02-20 | 2018-08-29 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 카본 나노 튜브들을 갖는 시냅스를 포함하는 뉴로모픽 소자 |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018049887A (ja) * | 2016-09-20 | 2018-03-29 | 株式会社東芝 | メムキャパシタ、ニューロ素子およびニューラルネットワーク装置 |
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