KR20120105771A - Resistance ram device using graphene and method for operating the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A resistive random access memory device and an operation method thereof using graphene are provided to have uniform electrical characteristics by using oxidation-reduction reaction between a graphene layer and an oxide layer. CONSTITUTION: A resistive random access memory device includes a lower electrode(10), an oxide layer(20) and a graphene layer(30). The lower electrode is made of a metal group including platinum, ruthenium, aluminum, iridium, tungsten and copper or graphene. The thickness of the oxidation layer is 20nm to 60nm. A graphene oxide layer is formed between the interface of the oxide layer and the graphene layer due to graphene-oxygen combination then a resistance is changed.

Description

그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자 및 이의 동작방법{Resistance RAM device using Graphene and Method for operating the same}Resistance RAM device using Graphene and method for operating the same

본 발명은 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자와 이의 동작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀층을 상부 전극으로 활용한 비휘발성 저항 변화 메모리 소자 및 상기 그래핀층과 산화물층의 계면에서 발생하는 산화/환원 반응으로 인하여 소자의 저항이 변화되는 특성을 이용한 저항 변화 메모리의 소자의 동작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resistance change memory device using graphene and a method of operating the same, and more particularly, to a nonvolatile resistance change memory device using a graphene layer as an upper electrode, and an oxidation occurring at an interface between the graphene layer and an oxide layer. The present invention relates to a method of operating a device of a resistance change memory using a characteristic in which the resistance of the device changes due to the reduction / reduction reaction.

비휘발성 메모리 소자 중 하나인 저항 변화 메모리 소자는 인가되는 바이어스에 따라 저항이 급격히 변화하여 적어도 서로 다른 두 저항 상태를 스위칭할 수 있는 물질을 이용하는 소자이다. 최근 그 구조의 단순성, 낮은 전력 소비, 빠른 스위칭 시간, 제조 공정의 용이성으로 인하여 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광받고 있다.The resistance change memory device, which is one of the nonvolatile memory devices, is a device that uses a material capable of switching at least two different resistance states by rapidly changing resistance according to an applied bias. Recently, due to the simplicity of the structure, low power consumption, fast switching time, and ease of manufacturing process, it is attracting attention as the next generation nonvolatile memory device.

상기 저항 변화 메모리 소자는 금속 전극 사이에 절연막이 게재된 MIM(Metal-Insulator-metal)구조를 가지며, 상기 절연막에서 나타나는 저항 변화를 이용하여 스위칭된다. The resistance change memory device has a metal-insulator-metal (MIM) structure in which an insulating film is interposed between metal electrodes, and is switched using a resistance change appearing in the insulating film.

이러한 스위칭의 메커니즘 중 하나인 전도성 필라멘트 모델(conductive filament model)의 경우, 먼저 MIM 구조의 저항 변화 메모리 소자에 전압을 인가하여 특정 전압에서 절연막의 Soft-Breakdown을 유발시킴으로써 상기 절연막을 통하여 전류가 잘 흐르는 저저항 상태(Low Resistance State, LRS)로 만드는데, 이를 포밍(forming)과정이라 한다. 상기 포밍 과정을 거친 저항 변화 메모리는 인가되는 전압의 변화에 따라 리셋(reset)과정과 셋(set)과정을 통하여 각각 고저항 상태와 저저항 상태를 만들 수 있으며, 상기와 같은 저항의 스위칭 특성을 이용하여 메모리 소자가 동작한다.In the case of the conductive filament model, which is one of the switching mechanisms, the current flows well through the insulating film by first applying a voltage to the resistance change memory device of the MIM structure to induce soft-breakdown of the insulating film at a specific voltage. It is made into Low Resistance State (LRS), which is called forming process. The resistance change memory that has undergone the forming process may create a high resistance state and a low resistance state through a reset process and a set process, respectively, according to a change in the applied voltage. The memory device is operated.

상기 전도성 필라멘트 모델(conductive filament model)의 스위칭 메커니즘을 따르는 저항 변화 메모리 소자의 경우, 온/오프 저항비가 크고, 빠른 속도로 동작하는 장점이 있으나, 대부분의 경우에 포밍(forming)과정을 거쳐야 하는 문제점이 있어 그 실용화에 장애가 되고 있다. In the case of a resistive change memory device that follows the switching mechanism of the conductive filament model, the on / off resistance ratio is large and operates at a high speed. However, in most cases, a forming process is required. This is an obstacle to its practical use.

이를 해결하기 위하여 포밍 과정이 없이도 동작할 수 있는 저항 변화 메모리 소자에 대한 기술이 대한민국 등록특허 제10-0722853호에 개시되어 있다.In order to solve this problem, a technology for a resistance change memory device that can operate without a forming process is disclosed in Korean Patent No. 10-0722853.

그러나 이는 열처리를 복수회 반복하여 절연막을 적층하는 방법에 의하기 때문에 제조공정이 복잡하고 비용이 증가하는 문제점이 있다.However, this is due to the method of stacking the insulating film by repeating the heat treatment a plurality of times, there is a problem that the manufacturing process is complicated and the cost increases.

한편, 그래핀은 2004년에 발견된 새로운 2차원 탄소물질로써, 탄소 원자 한 층으로 형성된 벌집구조의 2차원 박막이다. 상기 그래핀에 관한 연구는 현재까지 학계에서 활발하게 진행되어 오고 있으며, 최근 그래핀의 전기적 특성에 관하여 다양한 연구 결과들이 발표되었다. 그래핀은 높은 광학적 투명도, 뛰어난 신축성 및 유연성, 낮은 면저항값을 가져, 반도체 및 디스플레이 분야에서 각광받고 있으며, 태양전지, 트랜지스터, 발광 소자 등 이를 이용하여 새로운 소자를 제작하는 연구가 진행되고 있다. Graphene is a new two-dimensional carbon material discovered in 2004. It is a honeycomb two-dimensional thin film formed of a layer of carbon atoms. Research on the graphene has been actively conducted in the academic world to date, and various research results regarding the electrical properties of graphene have been recently published. Graphene has been in the spotlight in the semiconductor and display fields due to its high optical transparency, excellent elasticity and flexibility, and low sheet resistance, and research on manufacturing new devices using such devices, including solar cells, transistors, and light emitting devices, is being conducted.

이에 본 발명의 제 1 목적은 그래핀층을 상부 전극으로 활용함으로써 온/오프 저항비가 크고, 고온 리텐션(retention)특성이 우수한 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자를 제공하는 데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a resistance change memory device using graphene having a large on / off resistance ratio and excellent high temperature retention characteristics by utilizing a graphene layer as an upper electrode.

또한 본 발명의 제 2 목적은 그래핀층과 산화물층의 계면에서 발생하는 산화/환원 반응으로 소자의 저항을 변화시킴으로써 별도의 포밍 과정 없이 소자를 스위칭할 수 있는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작방법을 제공하는 데 있다.In addition, the second object of the present invention is to change the resistance of the device by the oxidation / reduction reaction occurring at the interface of the graphene layer and the oxide layer by operating the resistance change memory device using graphene that can switch the device without a separate forming process To provide a way.

상기의 제 1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 위치하는 산화물층 및 상기 산화물층 상에 위치하는 상부 전극을 포함하여 구성되되, 상기 상부 전극은 그래핀층으로 형성된 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above first object, comprising a lower electrode, an oxide layer positioned on the lower electrode and an upper electrode positioned on the oxide layer, wherein the upper electrode is formed of a graphene layer It features.

또한, 상기의 제 2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 산화물층, 상기 산화물층 상에 형성된 그래핀층을 구비하는 것을 특징으로 하는 메모리 소자를 제공하는 단계, 상기 그래핀층에 양의 전압을 인가하여 상기 그래핀층의 하부와 상기 산화물층의 계면에 그래핀 산화물을 생성시켜 상기 메모리 소자를 고저항 상태로 프로그래밍하는 단계 및 상기 그래핀층에 음의 전압을 인가하여 상기 그래핀 산화물을 환원시켜 상기 메모리 소자를 저저항 상태로 프로그래밍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the second object, providing a memory device characterized in that it comprises a lower electrode, an oxide layer formed on the lower electrode, a graphene layer formed on the oxide layer, the Programming a memory device to a high resistance state by generating a graphene oxide at an interface between the lower portion of the graphene layer and the oxide layer by applying a positive voltage to the graphene layer and applying a negative voltage to the graphene layer Reducing the graphene oxide to program the memory device to a low resistance state.

본 발명에 의한 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자는 그래핀층과 산화물층 사이의 산화/환원 반응을 이용함으로써 소자의 면적을 감소시키는 경우에도 균일한 전기적 특성을 가지며, 고온 리텐션(retention)특성이 우수한 효과가 있다.The resistance change memory device using graphene according to the present invention has uniform electrical characteristics even when the area of the device is reduced by using an oxidation / reduction reaction between the graphene layer and the oxide layer, and the high temperature retention characteristic is high. Excellent effect.

또한, 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작방법은 상기 반응에 의한 소자의 저항 변화를 이용하여 별도의 포밍 과정 없이도 간단하고 용이하게 소자의 동작이 가능한 효과가 있다.In addition, the operation method of the resistance change memory device using the graphene has the effect that the operation of the device can be easily and easily without a separate forming process by using the resistance change of the device by the reaction.

도 1 은 상부 전극으로 그래핀층을 형성한 저항 변화 메모리 소자를 도식화한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3a 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 비교예로서, Pt를 상부 전극으로 이용한 저항 변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 전류값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 시간에 따른 전류값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 면적 변화에 따른 저항 상태의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a 는 전압을 인가하기 전, 초기 상태(pristine)의 그래핀층의 특성을 나타낸 라만 스펙트럼이다.
도 7b는 저저항 상태(LRS) 및 고저항 상태(HRS) 상태에서 그래핀층의 특성을 비교한 라만 스펙트럼이다.
도 7c는 전압 인가 전의 초기 상태(pristine), 저저항 상태(LRS) 및 고저항 상태(HRS) 에서 G 피크의 위치, D피크와 G피크의 강도 비(intensity ratio, I(D)/I(G))를 비교한 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a resistance change memory device in which a graphene layer is formed as an upper electrode.
2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method of operating a resistance change memory device using graphene according to the present invention.
3A is a graph illustrating current-voltage characteristics of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.
3B is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance change memory device using Pt as an upper electrode as a comparative example.
4 is a graph showing a change in current value according to a switching cycle of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.
5 is a graph showing a change in current value over time of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.
6 is a graph illustrating a change in resistance state according to an area change of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.
FIG. 7A is a Raman spectrum showing characteristics of a graphene layer in a pristine state before applying a voltage. FIG.
FIG. 7B is a Raman spectrum comparing characteristics of a graphene layer in a low resistance state (LRS) and a high resistance state (HRS).
FIG. 7C shows the position of the G peak in the initial state (pristine), the low resistance state (LRS), and the high resistance state (HRS) before applying voltage, and the intensity ratio (I (D) / I ( It is a graph comparing G)).

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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 1 은 상부 전극으로 그래핀층을 형성한 저항 변화 메모리 소자를 도식화한 도면이다.1 is a diagram illustrating a resistance change memory device in which a graphene layer is formed as an upper electrode.

도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자는 하부 전극(10), 상기 하부 전극(10) 상에 순차적으로 형성된 산화물층(20) 및 상부 전극인 그래핀층(30)을 포함하는 구조를 가진다. Referring to FIG. 1, the resistance change memory device using graphene according to the present invention includes a lower electrode 10, an oxide layer 20 sequentially formed on the lower electrode 10, and a graphene layer 30 as an upper electrode. It has a structure that includes.

상기 구조는 기판(미도시) 상에 형성된다. 상기 기판은 통상의 반도체 메모리 소자에 적용되는 것이라면 어느 것이나 가능하며, 실리콘 기판 또는 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물이 형성된 특정의 막질과 기판의 조합일 수 있다.The structure is formed on a substrate (not shown). The substrate may be any one that is applied to a conventional semiconductor memory device, and may be a silicon substrate or a combination of a specific film quality and a substrate in which silicon oxide is formed on the silicon substrate.

상기 기판 상에 형성되는 하부 전극(10)은 Pt, Ru, Al, Ir, W, Cu를 포함하는 금속 계열 또는 그래핀 중에서 선택되는 것이 바람직하다. The lower electrode 10 formed on the substrate is preferably selected from a metal series or graphene including Pt, Ru, Al, Ir, W, Cu.

또한, 하부 전극(10) 상에 형성되는 산화물층(20)은 저항 스위칭 특성을 나타내는 다양한 물질들 중에서 선택될 수 있다. 특히, 상부 전극을 형성하는 물질과의 관계에서 반응성이 좋아 쉽게 산화될 수 있는 물질을 선택하는 것이 바람직하다. In addition, the oxide layer 20 formed on the lower electrode 10 may be selected from various materials exhibiting resistance switching characteristics. In particular, it is preferable to select a material that is easily reactive and easily oxidized in relation to the material forming the upper electrode.

예컨대, 상기 산화물층(20)은 2원계 금속산화물 계열 또는 페로브스카이트막 일 수 있다. 상기 2원계 금속산화물 계열은 TiO2, NiO, HfO2, SiO2, ZrO2, Al2O3, Y2O3, Ta2O5, Nb2O5를 포함할 수 있으며, 페로브스카이트막은 SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3, Cr이 도핑된 SrTiO3, BaTiO3, LaMnO3, SrMnO3, PrTiO3을 포함할 수 있다. 또한 Pr1 - xCaxMnO3(0≤x≤1), La1 - xCaxMnO3(0≤x≤1)을 포함할 수 있다. For example, the oxide layer 20 may be a binary metal oxide based or perovskite film. The binary metal oxide series may include TiO 2 , NiO, HfO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and perovskite film SrTiO 3, may include the Nb-doped SrTiO 3, Cr-doped SrTiO 3, BaTiO 3, LaMnO 3 , SrMnO 3, PrTiO 3. It may also include Pr 1 - x Ca x MnO 3 (0 ≦ x ≦ 1) and La 1 - x Ca x MnO 3 (0 ≦ x ≦ 1).

또한 이 때, 상기 산화물층(20)의 두께는 20nm 내지 60nm인 것이 바람직한 바, 20nm 미만의 두께에서는 동작 전압이 불안정해지는 문제가 발생하고, 이와는 반대로 60nm을 초과하는 경우 동작 전압의 과도한 증가에 따른 소모 전력의 증가 및 동작 불량의 문제가 발생할 수 있다.At this time, the thickness of the oxide layer 20 is preferably 20nm to 60nm, the thickness of less than 20nm problem occurs that the operating voltage is unstable, on the contrary, if the thickness exceeds 60nm due to excessive increase in the operating voltage Problems of increased power consumption and poor operation may occur.

상기 산화물층(20)은 스퍼터링법(sputtering), 펄스레이저 증착법(PLD), 분자선 에피택시 증착법(MBE), 또는 화학기상증착법(CVD)등을 사용하여 형성할 수 있다.The oxide layer 20 may be formed using sputtering, pulsed laser deposition (PLD), molecular beam epitaxy deposition (MBE), chemical vapor deposition (CVD), or the like.

상기 산화물층(20) 상에 형성되는 그래핀층(30)은 상부 전극을 구성한다. 상기 그래핀층(30)은 다양한 방법으로 산화물층(20) 상에 형성될 수 있으며, 예컨대, PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 PMMA(polymethylmethacrylate) 등을 지지체로 활용하여 그래핀이 성장된 촉매층을 식각하는 방법으로 형성할 수 있다. The graphene layer 30 formed on the oxide layer 20 constitutes an upper electrode. The graphene layer 30 may be formed on the oxide layer 20 in various ways. For example, the graphene layer 30 may be etched using a polydimethylsiloxane (PDMS) or polymethylmethacrylate (PMMA) as a support to etch the graphene-grown catalyst layer. Can be formed.

상기 그래핀층(30)은 산화물층(20)과의 계면에서의 반응을 위하여 다수겹으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그래핀은 탄소로만 구성되어 있으므로, 산소족 원소들과의 산화/환원 반응을 통하여 카르복시기(carboxyl), 수산기(hydroxyls) 등 다양한 화학적 기능기를 도입할 수 있으며, 이에 따라 구조 및 전기적 성질이 변화하는 특성을 가진다. 즉, 그래핀이 산소에 의해 산화됨으로써 생성되는 그래핀 산화물은 산소가 유도하는 결함들(defects)과 무질서함(disorder)으로 인하여 높은 절연성을 가지게 된다. The graphene layer 30 is preferably formed in a plurality of layers for the reaction at the interface with the oxide layer 20. Since graphene is composed of carbon only, various chemical functional groups such as carboxyl and hydroxyls can be introduced through oxidation / reduction reactions with oxygen group elements, thereby changing the structural and electrical properties. Have That is, graphene oxide produced by oxidizing graphene by oxygen has high insulation due to oxygen-induced defects and disorders.

예컨대, 저항변화를 주도하는 산화물층(20)에 포함된 산소 이온의 이동에 의해 그래핀층(30)의 하부가 산화되고, 산화된 그래핀층(30)은 고저항 상태를 유지한다. 즉, 상부 전극의 역할을 하는 그래핀층(30)과 산화물층(20)의 계면에는 그래핀-산소의 결합에 의한 그래핀 산화물층(30a)이 형성되며, 이를 통해 저항변화가 발생한다.
For example, the lower portion of the graphene layer 30 is oxidized by the movement of oxygen ions included in the oxide layer 20 which leads the resistance change, and the oxidized graphene layer 30 maintains a high resistance state. That is, the graphene oxide layer 30a is formed at the interface between the graphene layer 30 and the oxide layer 20 serving as the upper electrode by the combination of graphene and oxygen, whereby a resistance change occurs.

[제조예] [Manufacturing Example]

SiO2/Si 기판 상에 하부 전극으로 Pt막을 형성한 후, 상기 Pt 막 상에 60nm 두께의 PCMO층을 형성하였다. PCMO층은 PCMO 내 산소 이온과 반응성이 있는 금속(Reactive metal), 예컨대, Al, Ti 과의 산화/환원 반응으로 인하여 우수한 저항 스위칭 특성을 위해 사용되는 물질 중 하나이다. 상기 PCMO층은 450℃의 온도 조건에서 RF 스퍼터링법을 이용하여 증착하였다. 이후, 상기 PCMO층 상에 그래핀층을 형성하였다. 상기 그래핀층은 니켈층을 촉매층으로 하여 CVD법에 의하여 제조되었다. After forming a Pt film as a lower electrode on the SiO 2 / Si substrate, a PCMO layer having a thickness of 60 nm was formed on the Pt film. The PCMO layer is one of materials used for excellent resistance switching characteristics due to oxidation / reduction reaction with a reactive metal such as Al and Ti in PCMO. The PCMO layer was deposited using RF sputtering at a temperature of 450 ℃. Thereafter, a graphene layer was formed on the PCMO layer. The graphene layer was manufactured by CVD using a nickel layer as a catalyst layer.

이후, 순차적으로 적층된 PCMO/Pt/SiO2/Si 구조에서 상기 제조된 그래핀층을 FeCl3 용액에 침지시켜 식각함으로써 촉매층인 니켈층을 분리하고 상기 PCMO/Pt/SiO2/Si가 순차적으로 적층된 구조의 PCMO층 상에 전사시켰다. 그 후 상부 전극 영역에 에칭마스크로서 포토레지스트를 도포한 후, 산소 플라즈마 에칭법으로 패터닝하여 본 발명의 저항 변화 메모리 소자를 제조하였다.Subsequently, the graphene layer prepared above is immersed in an FeCl 3 solution and etched in a sequentially stacked PCMO / Pt / SiO 2 / Si structure to separate a nickel layer, which is a catalyst layer, and the PCMO / Pt / SiO 2 / Si is sequentially stacked. Transferred onto a PCMO layer of a structure. After that, a photoresist was applied to the upper electrode region as an etching mask, and then patterned by oxygen plasma etching to manufacture the resistance change memory device of the present invention.

도 2a 및 도2b는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작방법을 설명하기 위한 단면도들이다.2A and 2B are cross-sectional views illustrating a method of operating a resistance change memory device using graphene according to the present invention.

도 2a를 참조하면, 하부전극(10)에 기준(ground) 전압을 인가하고 상부전극인 그래핀층(30)에 양(+)의 전압을 인가하면 상기 산화물층(20)의 산소 이온(O2 -)이 상기 그래핀층(30)으로 이동한다. 이에 따라 상기 그래핀층(30)과 산화물층(20)과의 계면에서 그래핀이 산화되어 그래핀 산화물층(30a)을 형성함으로써 소자의 전체 저항이 증가하여 고저항 상태(High Resistance State;HRS) 즉, 리셋(reset) 상태가 된다. Referring to FIG. 2A, when a ground voltage is applied to the lower electrode 10 and a positive voltage is applied to the graphene layer 30 that is the upper electrode, oxygen ions O 2 of the oxide layer 20 are applied. - ) Moves to the graphene layer (30). Accordingly, the graphene is oxidized at the interface between the graphene layer 30 and the oxide layer 20 to form the graphene oxide layer 30a, thereby increasing the overall resistance of the device, thereby increasing a high resistance state (HRS). That is, it is in a reset state.

도 2b를 참조하면, 하부전극(10)에 기준(ground)전압을 인가하고, 상부전극인 그래핀층(30)에 음(-)의 전압을 인가하면 산소 이온(O2 -)은 상기 그래핀층(30)과 산화물층(20)과의 계면에서 형성된 그래핀 산화물층(30a)으로부터 이탈한다. 이에 따라 그래핀 산화물층(30a)은 다시 환원되어 소멸되고, 소자는 저저항 상태(Low Resistance State;LRS), 즉 셋(set)상태가 된다. Referring to FIG. 2B, when a ground voltage is applied to the lower electrode 10 and a negative voltage (−) is applied to the graphene layer 30, which is an upper electrode, oxygen ions O 2 may form the graphene layer. It is separated from the graphene oxide layer 30a formed at the interface between the 30 and the oxide layer 20. Accordingly, the graphene oxide layer 30a is reduced and disappears again, and the device is in a low resistance state (LRS), that is, a set state.

도 3a 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.3A is a graph illustrating current-voltage characteristics of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.

정전 파괴(electrical breakdown)를 예방하기 위하여 인가하는 전압의 크기는 -5V 내지 5V의 범위로 제한하였으며, 전압은 (1)→(2)→(3)→(4) 방향을 따라 변화시킨다. In order to prevent an electrical breakdown, the voltage applied was limited in the range of -5V to 5V, and the voltage was changed in the direction (1) → (2) → (3) → (4).

도 3a를 참조하면, 상부 전극인 그래핀층에 양(+)의 전압을 인가하면 산화물층의 산소 이온(O2 -)이 그래핀층과의 계면으로 이동하여 그래핀 산화물층을 형성함으로써, 소자는 고저항 상태가 된다. 그 후, 상기 상부 전극인 그래핀층에 인가되는 전압이 감소하면 전류는 (2) 방향을 따라 감소한다. Referring to FIG. 3A, when a positive voltage is applied to the graphene layer, which is an upper electrode, oxygen ions (O 2 ) of the oxide layer move to an interface with the graphene layer to form a graphene oxide layer. It becomes a high resistance state. Thereafter, when the voltage applied to the graphene layer, which is the upper electrode, decreases, the current decreases along the direction (2).

한편, 상부 전극인 그래핀층에 음(-)의 전압을 인가하면 산소 이온(O2-)은 상기 그래핀층과 산화물층 사이의 계면으로부터 상기 산화물층으로 이동함으로써 그래핀 산화물층은 그래핀층으로 다시 환원된다. 따라서 전류는 (3)방향을 따라 증가하고, 소자는 저저항 상태가 된다. 그 후, 상기 상부전극에 인가되는 전압이 감소하면 전류는 (4) 방향을 따라 감소한다. 즉, 인가되는 전압에 따라 소자의 저항이 변화하는 저항 스위칭 특성이 나타난다. On the other hand, when a negative voltage is applied to the graphene layer, which is an upper electrode, oxygen ions (O 2- ) move from the interface between the graphene layer and the oxide layer to the oxide layer, whereby the graphene oxide layer is returned to the graphene layer. Reduced. Therefore, the current increases along the direction (3), and the device is in a low resistance state. Thereafter, when the voltage applied to the upper electrode decreases, the current decreases along the direction (4). That is, resistance switching characteristics in which the resistance of the device changes in accordance with the applied voltage appears.

도 3b는 비교예로서, 상기의 저항 스위칭 특성에 상부 전극이 미치는 영향을 확인하기 위하여 Pt막을 상부 전극으로 이용한 저항 변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 3B is a graph showing a current-voltage characteristic of a resistance change memory device using a Pt film as an upper electrode in order to confirm the effect of the upper electrode on the resistance switching characteristic as a comparative example.

도 3b를 참조하면, 상부 전극을 그래핀층으로 형성한 도 3a의 경우와는 달리-5V 내지 5V의 인가된 전압의 범위에서 인가되는 전압에 따라 저항이 변화하지 않음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3B, unlike the case of FIG. 3A in which the upper electrode is formed of the graphene layer, the resistance does not change depending on the applied voltage in the range of the applied voltage of -5V to 5V.

이는, 산화물층의 Soft-Breakdown을 유발시킴으로써 상기 산화물층을 통하여 전류가 잘 흐르는 저저항 상태로 만드는 포밍 과정이 일어날 수 있는 전압에 도달하지 않았기 때문이다. 또한, 그래핀 층과 달리 비활성 금속인 Pt의 경우에는 산소 이온(O2 -)과 반응이 거의 일어나지 않기 때문이다. 따라서 Pt가 상부 전극인 경우, 전압에 따라 저항 변화 특성이 나타나지 않으며, PCMO 박막 자체의 특성인 비선형(Non-linear)적인 전류-전압 커브를 보이게 된다.This is because the forming process, which causes a soft-breakdown of the oxide layer to bring the current through the oxide layer into a low resistance state, does not reach a voltage at which it can occur. In addition, unlike the graphene layer, in the case of Pt which is an inactive metal, the reaction with oxygen ions (O 2 ) hardly occurs. Therefore, when Pt is the upper electrode, the resistance change characteristic does not appear according to the voltage, and a non-linear current-voltage curve, which is a characteristic of the PCMO thin film itself, is displayed.

따라서, 상기의 비교예를 통하여 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자는 포밍 과정이 없이도 저항 스위칭 특성이 일어남을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen from the comparative example that the resistance change memory device using the graphene according to the present invention has a resistance switching characteristic even without a forming process.

도 4 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)에서의 전류값을 나타내는 그래프이다. 측정 조건은 셋 전압 -6V, 리셋 전압 6V을 펄스 폭 10μs의 간격으로 인가하였다. 이 때의 읽기 전압은 1V이다.4 is a graph showing current values in a high resistance state HRS and a low resistance state LRS according to a switching cycle of a resistance change memory device using graphene according to the present invention. As the measurement conditions, a set voltage of -6V and a reset voltage of 6V were applied at intervals of a pulse width of 10 s. The read voltage at this time is 1V.

도 4 를 참조하면, 스위칭 동작을 1000회까지 반복하였을 때, 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)의 전류값이 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 메모리 소자는 펄스 내구성(pulse endurance)이 뛰어남을 알 수 있다. Referring to FIG. 4, when the switching operation is repeated up to 1000 times, it can be seen that the current values of the high resistance state HRS and the low resistance state LRS are maintained substantially constant. Through this, the resistive memory device using the graphene according to the present invention can be seen that the excellent pulse endurance (pulse endurance).

도 5 는 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 시간에 따른 전류값의 변화를 나타내는 그래프이다. 측정 조건은 온도 85℃, 읽기 전압 1V이다.5 is a graph showing a change in current value over time of a resistance change memory device using graphene according to the present invention. The measurement conditions were a temperature of 85 ° C. and a read voltage of 1V.

도 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 저저항 상태(LRS)와 고저항 상태(HRS)에서의 전류값은 비교적 고온인 85℃에서 10000초에 이르기까지 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 저저항 상태(LRS)와 고저항 상태(HRS)의 저항값의 차이가 일정하며, 큰 저항비를 가져 고온에서도 리텐션(retention) 특성이 우수함을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, current values in the low resistance state (LRS) and the high resistance state (HRS) of the resistance change memory device using graphene according to the present invention are almost constant from 85 ° C. to 10000 seconds at a relatively high temperature. Can be maintained. Accordingly, it can be seen that the difference between the resistance values of the low resistance state LRS and the high resistance state HRS is constant, and has a large resistance ratio, which is excellent in retention characteristics even at high temperatures.

도 6 은 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 면적 변화에 따른 저항 상태의 변화를 나타낸 그래프이다.6 is a graph illustrating a change in resistance state according to an area change of a resistance change memory device using graphene according to the present invention.

도 6 을 참조하면, 소자의 면적이 증가함에 따라, 저저항 상태(LRS)의 저항과 고저항 상태(HRS)의 저항은 모두 감소한다. 이를 전도성 필라멘트 모델의 스위칭 메커니즘을 갖는 저항 변화 메모리 소자의 경우와 비교하면, 저항 변화를 일으키는 전도성 필라멘트의 경로(conducting filament paths)가 국소적으로 형성되기 때문에 저저항 상태에서 소자 면적에 따른 저항 감소폭이 무시할 수 있을 정도로 작다. 이로부터 그래핀층과 산화물층 사이의 계면으로부터 일어나는 산화/환원 반응이 국부적이지 않고 모든 면적에서 균일하게 발생함을 알 수 있다. 이는 소자의 면적과 관계없이 균일한 전기적 특성을 확보할 수 있음을 의미한다. Referring to FIG. 6, as the device area increases, both the resistance of the low resistance state LRS and the resistance of the high resistance state HRS decrease. Compared to the case of the resistive change memory device having the switching mechanism of the conductive filament model, since the conducting filament paths are locally formed to cause the resistive change, the resistance decrease according to the device area in the low resistance state is reduced. Small enough to be ignored This shows that the oxidation / reduction reaction occurring from the interface between the graphene layer and the oxide layer is not local but occurs uniformly in all areas. This means that it is possible to ensure uniform electrical characteristics regardless of the area of the device.

한편, 도 7a, 7b, 7c는 저항 스위칭 특성이 일어나기 전, 후의 그래핀의 특성을 나타낸 라만 스펙트럼이다. 7A, 7B, and 7C are Raman spectra showing characteristics of graphene before and after resistance switching characteristics occur.

도 7a 는 전압을 인가하기 전, 초기 상태(pristine)의 그래핀층의 특성을 나타낸 라만 스펙트럼이다. 입사광은 514nm의 Ar laser를 사용하였다.FIG. 7A is a Raman spectrum showing characteristics of a graphene layer in a pristine state before applying a voltage. FIG. The incident light used an Ar laser of 514 nm.

도 7a를 참조하면, D 피크가 G 피크보다 낮은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 그래핀층의 결함 및 무질서함(disorder)이 작음을 알 수 있다. 또한, 초기 상태의 그래핀층의 면저항은 비저항 측정 방법의 하나인 Van der Pauw법을 통하여 측정하면 약 700Ω/□의 값을 가지는 바, 이를 상부전극으로 활용할 수 있다. Referring to FIG. 7A, it can be seen that the D peak is lower than the G peak, through which the defect and disorder of the graphene layer are small. In addition, the sheet resistance of the graphene layer in the initial state has a value of about 700 Ω / □ when measured through the Van der Pauw method, one of the specific resistance measurement method, it can be used as an upper electrode.

도 7b는 저저항 상태(LHS) 및 고저항 상태(HRS)에서 그래핀층의 특성을 비교한 라만 스펙트럼이다.FIG. 7B is a Raman spectrum comparing characteristics of the graphene layer in the low resistance state (LHS) and the high resistance state (HRS).

도 7b를 참조하면, 고저항 상태(HRS)에서 1350cm- 1 에서의 높은 D 피크 및 G 피크의 오른쪽 1620cm- 1 에서 나타나는 D' 피크를 확인할 수 있다. 이를 통하여 고저항 상태(HRS)에서 그래핀층은 전기장에 의하여 변형이 생긴 것을 알 수 있다.Referring to Figure 7b, 1350cm in the high resistance state (HRS) - can confirm the D 'peak appearing at the 1-D high peak and the G peak right at 1620cm 1. Through this, it can be seen that the graphene layer is deformed by the electric field in the high resistance state (HRS).

이와는 반대로, 저저항 상태(LRS)에서는 낮은 D 피크 및 D' 피크를 확인할 수 있으며, 이를 통하여 결함이나 무질서함(disorder)이 감소한 것을 알 수 있다.On the contrary, in the low resistance state (LRS), low D peaks and D 'peaks can be confirmed, and it can be seen that defects and disorders are reduced through this.

또한 고저항 상태(HRS)의 G 피크는 저저항 상태(LRS)의 G 피크보다 높은 주파수 영역에서 나타남을 확인할 수 있는 바, 이는 그래핀층의 산화로 인하여 초기 상태의 그래핀층에 그래핀 산화물층이 형성되었기 때문인 것으로 풀이된다. In addition, it can be seen that the G peak of the high resistance state (HRS) appears in a higher frequency region than the G peak of the low resistance state (LRS). It is solved because it was formed.

도 7c는 전압 인가 전의 초기 상태(pristine), 저저항 상태(LRS) 및 고저항 상태(HRS) 에서 G 피크의 위치, D피크와 G피크의 강도 비(intensity ratio, I(D)/I(G))를 비교한 그래프이다.FIG. 7C shows the position of the G peak in the initial state (pristine), the low resistance state (LRS), and the high resistance state (HRS) before applying voltage, and the intensity ratio (I (D) / I ( It is a graph comparing G)).

도 7c를 참조하면, 전압 인가 전의 초기 상태, 저저항 상태(LRS) 및 고저항 상태(HRS)에서의 G 피크의 위치는 각각 1579.5cm-1, 1580.6cm-1, 1587.7cm-1이고, D피크와 G피크의 강도 비인 I(D)/I(G)는 각각 0.10, 0.13, 1.55임을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 메모리 소자는 저항 스위칭 특성이 나타나 저항 변화 메모리 소자로 기능할 수 있음을 알 수 있다. And Referring to Figure 7c, the voltage applied to the initial state, the position of the G peak in the low resistance state (LRS) and the high resistance state (HRS) before each 1579.5cm -1, 1580.6cm -1, 1587.7cm -1 , D It can be seen that I (D) / I (G), which is the ratio between the peak and the G peak, is 0.10, 0.13, and 1.55, respectively. Through this, it can be seen that the memory device using the graphene according to the present invention exhibits a resistance switching characteristic and thus may function as a resistance change memory device.

10 : 하부전극
20: 산화물층
30 : 그래핀층
30a : 그래핀 산화물층
10: lower electrode
20: oxide layer
30: graphene layer
30a: graphene oxide layer

Claims (12)

하부 전극;
상기 하부 전극 상에 위치하는 산화물층; 및
상기 산화물층 상에 위치하는 상부 전극을 포함하여 구성되되,
상기 상부 전극은 그래핀층으로 형성된 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
Lower electrode;
An oxide layer on the lower electrode; And
It is configured to include an upper electrode located on the oxide layer,
The upper electrode is a resistance change memory device using a graphene, characterized in that formed of a graphene layer.
제 1 항에 있어서,
상기 그래핀층은 상기 산화물층으로부터 이동된 산소 이온과의 결합에 의해 저항변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 1,
The graphene layer is a resistance change memory device using a graphene, characterized in that the resistance change occurs by bonding with oxygen ions moved from the oxide layer.
제 2 항에 있어서,
상기 산화물층과 상기 산소 이온과의 결합에 의해 상기 그래핀층과 상기 산화물층 계면에는 그래핀 산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 2,
And a graphene oxide layer is formed at the interface between the graphene layer and the oxide layer by coupling the oxide layer with the oxygen ions.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 전극은 Pt, Ru, Al, Ir, W, Cu를 포함하는 금속 계열 또는 그래핀 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 1,
The lower electrode is a resistance change memory device using a graphene, characterized in that selected from metal-based or graphene containing Pt, Ru, Al, Ir, W, Cu.
제 1 항에 있어서,
상기 산화물층의 두께는 20nm 내지 60nm인 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 1,
The thickness of the oxide layer is a resistance change memory device using graphene, characterized in that 20nm to 60nm.
제 1 항에 있어서,
상기 산화물층은 2원계 금속산화물 계열 또는 페로브스카이트막 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 1,
The oxide layer is a resistance change memory device using a graphene, characterized in that at least one selected from binary metal oxide series or perovskite film.
제 6 항에 있어서,
상기 2원계 금속산화물 계열은 TiO2, NiO, HfO2, SiO2, ZrO2, Al2O3, Y2O3, Ta2O5, Nb2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method according to claim 6,
The binary metal oxide series includes graphene comprising TiO 2 , NiO, HfO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and Nb 2 O 5 . Resistance change memory device used.
제 6 항에 있어서,
상기 페로브스카이트막은 SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3, Cr이 도핑된 SrTiO3, BaTiO3, LaMnO3, SrMnO3, PrTiO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method according to claim 6,
The perovskite film SrTiO 3, yes resistance change memory device using a pin, it characterized in that the Nb comprises a doped SrTiO 3, Cr-doped SrTiO 3, BaTiO 3, LaMnO 3 , SrMnO 3, PrTiO 3.
제 6 항에 있어서,
상기 페로브스카이트막은 Pr1 - xCaxMnO3(0≤x≤1), La1 - xCaxMnO3(0≤x≤1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method according to claim 6,
The perovskite film includes Pr 1 - x Ca x MnO 3 (0≤x≤1) and La 1 - x Ca x MnO 3 (0≤x≤1). Memory elements.
제 1 항에 있어서,
상기 상부 전극은 수겹의 그래핀층인 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자.
The method of claim 1,
The upper electrode is a resistance change memory device using a graphene, characterized in that the layer of several layers of graphene.
하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 산화물층, 상기 산화물층 상에 형성된 그래핀층을 구비하는 것을 특징으로 하는 메모리 소자를 제공하는 단계;
상기 그래핀층에 양의 전압을 인가하여 상기 그래핀층의 하부와 상기 산화물층의 계면에 그래핀 산화물을 생성시켜 상기 메모리 소자를 고저항 상태로 프로그래밍하는 단계; 및
상기 그래핀층에 음의 전압을 인가하여 상기 그래핀 산화물을 환원시켜 상기 메모리 소자를 저저항 상태로 프로그래밍하는 단계를 포함하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법.
Providing a memory device comprising a lower electrode, an oxide layer formed on the lower electrode, and a graphene layer formed on the oxide layer;
Programming the memory device to a high resistance state by applying a positive voltage to the graphene layer to generate graphene oxide at an interface between the lower portion of the graphene layer and the oxide layer; And
And applying a negative voltage to the graphene layer to reduce the graphene oxide to program the memory device into a low resistance state.
제 11 항에 있어서,
상기 저저항 상태로 프로그래밍하는 단계는 포밍 과정을 거치치 않는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법.
The method of claim 11,
The method of operating the resistance change memory device using graphene, wherein the programming of the low resistance state does not go through a forming process.
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