KR20220031328A - 멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자 및 비휘발성 메모리 소자 - Google Patents

멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자 및 비휘발성 메모리 소자 Download PDF

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KR20220031328A
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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

멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자 및 비휘발성 메모리 소자{MEMRISTOR AND NEUROMORPHIC DEVICE AND NON-VOLATILE MEMORY DEVICE HAVING THE MEMRISTOR}
본 발명은 저항 변화를 통해 정보를 비휘발적으로 저장할 수 있는 멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자와 메모리 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 있다.
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 또 다른 목적은 상기 멤리스터 소자를 구비하는 비휘발성 메모리 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, 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬 및 이에 결합된 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된 저항변화층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 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 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬 및 이에 결합된 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 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 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬을 구비하며 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된다.
본 발명의 멤리스터 소자 및 이를 포함하는 뉴로모픽 소자와 비휘발성 메모리 소자에 따르면, 상기 저항 변화층이 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬을 구비하며 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성되므로, 약 0.5V 이하의 현저하게 낮은 구동 전압 및 약 103 이상의 높은 ON/OFF 비율을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신경모방 멤리스터 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 저항 변화층 물질의 결정구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뉴로모픽 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자에 대한 전압-전류 곡선을 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 2는 도 1에 도시된 저항 변화층 물질의 결정구조를 설명하기 위한 도면이다.
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 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬 및 이에 결합된 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 저항 변화층(130)은 하기 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있드.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1 및 2에서, R은 유기 양이온을 나타내고, M은 금속 양이온을 나타내며, X는 할로겐 음이온을 나타낸다. 그리고 x, y, z는 서로 독립적으로 -0.5 이상 +0.5 이하의 실수를 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 상기 유기 양이온(R)은 하기 화학식 2의 유기 양이온을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서, n은 5 내지 8의 정수를 나타낸다.
예를 들면, 상기 유기 양이온은 (C6H13N)2 +를 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 (C6H13N)2 +이고, 상기 금속 양이온(M)은 비스무스 이온이며, 상기 할로겐 음이온(X)은 요오드 이온일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유무기 할로겐 화합물은 도 2에 도시된 바와 같은 1-D 선형 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 유기 할로겐 화합물은 1개의 M 이온을 6개의 X 이온들이 둘러싸도록 배치된 M-X 다면체들이 1개의 코너를 공유하도록 선형적으로 연결된 선형 구조물들 및 상기 선형구조물들 사이에 배치되고 상기 선형구조물들에 양쪽 말단이 결합된 유기 양이온을 포함하는 결정 구조를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 M이 비스무스이고, 상기 X가 요오드인 경우, 하기와 같은 결정 구조를 가질 수 있다.
Bismuth halogen as an octahedron displays a slightly distorted configuration with six distinct pairs of Bi-I bond distances in the range of 2.8920(13)~3.3216(12) Å and corresponding I-Bi-I angles ranging from 84.96(4)° to 179.52(4)°. Corner-sharing BiI6 octahedra are bridged by iodine atoms in infinite inorganic halide chains along the b axis. The succinct 1D inorganic chain sustains its semiconductor performance and directional carrier transport behavior, which may result in a better detection behavior than isolated structure. Organic cations are located inside the zigzag chains of cavities and bonded to the BiI6 octahedron through NH…I hydrogen bonds, while the substituent (methyl) on the piperidine ring is obliquely oriented outside the cavity. This alignment leads the adjacent chains packing irregularly, and the angle between the planes defined by the chains is 77.063°. Successive adjacent chains are stacked in a similar manner, with the same angle along the b axis. Accordingly, the chains of corner-sharing BiI6 octahedra are surrounded by organic cations, creating a 1D zigzag chain perovskite-derivative hybrid.
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 이를 포함하는 뉴로모픽 소자와 비휘발성 메몰시 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.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 도 3에 도시된 소자 구조와 실질적으로 동일할 수 있으므로, 이에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자에 대한 전압-전류 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 멤리스터 소자는 0.5 V이하의 구동전압, 103 이상의 높은 on-off 비를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
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

Claims (3)

  1. 서로 대향하게 배치된 제1 전극과 제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬을 구비하며 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된 저항 변화층;을 포함하는, 멤리스터 소자.
  2. 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 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬을 구비하며 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 뉴로모픽 소자.
  3. 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 1개의 코너를 공유하는 Bi-I 팔면체들로 이루어진 선형구조들 및 상기 선형구조들 사이에 위치하여 이들을 결합시키고 탄소수 5 내지 8의 지방족 사슬을 구비하며 아민기를 구비하는 유기 이온들을 포함하는 결정질 유기 금속 할로겐 화합물로 형성된 것을 특징으로 하는, 비휘발성 메모리 소자.
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