KR20240071099A - 뉴로모픽 특성을 갖는 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
멤커패시터 소자가 제공된다. 상기 멤커패시터 소자는, 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층, 상기 강유전층 상에 배치되는 제2 전극, 및 상기 제2 전극과 연결되는 와이어를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 뉴로모픽 특성을 갖는 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비스무스 페라이트(BiFeO3)기반의 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
정보통신 산업의 발달에 따라, 고집적화된 메모리 소자의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 대표적인 비휘발성 메모리 소자인 플래쉬 메모리는 약 40nm 이하로 회로 선폭이 감소되는 경우, 인접된 메모리 소자 간의 간섭이 발생될 수 있고, 이에 따라, 저장된 데이터에 오류가 생길 수 있다. 또한, 고집적화에 따라, 단위 면적당 발열이 증가되어, 이에 따른 메모리 소자의 오류 또한 증가되고 있다.
따라서, 기판 상에 플로팅게이트, 및 컨트롤 게이트를 가지며, 다층 구조를 갖는 플래쉬 메모리 소자에 비하여, 상부 전극과 하부 전극 사이에 저항변화층을 갖는 단순한 구조로 비교적으로 제조 공정이 간단하고, 메모리 특성이 향상된 저항 변화 메모리 소자에 대한 연구가 증가되고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록 공보 10-1742384(출원 번호 10-2015-0126064)에는 불활성 전극, 상기 불활성 전극 상에 위치하고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층, 및 상기 저항변화층 상에 위치하는 활성 전극을 포함하고, 상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 x는 0.9 내지 1.1인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자가 개시된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 다중 정전용량 특성을 갖는 멤커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 유전 손실이 감소된 멤커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 비스무 페라이트(BiFeO3) 기반의 멤커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 뉴로모픽(Neuromorphic) 특성을 갖는 멤커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 멤커패시터 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는, 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층, 상기 강유전층 상에 배치되는 제2 전극, 및 상기 제2 전극과 연결되는 와이어를 포함하되, 가해지는 전압의 펄스 수(pulse number)가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는 다중 정전용량 메모리 특성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는 전압 인가 시간에 따른 커패시턴스 값의 변화를 측정한 결과, 오프 스테이트(Off state), 미들 스테이트(Middle state), 및 세트 스테이트(Set state) 각각의 스테이트가 분리되어 확인되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층은 단결정(single-crystalline) 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는 상기 강유전층 내 Fe3+ 이온의 비율이 Fe2+ 이온의 비율보다 높은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는 양(+)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 Fe3+ 이온은 Fe2+ 이온으로 변화되고, 음(-)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 Fe2+ 이온은 Fe3+ 이온으로 변화되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자는 양(+)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 제1 전극으로부터 발생된 전자가 상기 강유전층 내 산소 공공(vacancy)과 결합되고, 음(-)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 산소 공공과 결합된 전자가, 상기 산소 공공으로부터 방출되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명은 멤커패시터 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자의 제조 방법은, 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에, 펄스드 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)을 통해 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에, 펄스트 레이저 증착법을 통해 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층을 형성하는 단계, 상기 강유전층 상에 제2 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2 전극에 와이어를 연결하는 단계를 포함하되, 가해지는 전압의 펄스 수(pulse number)가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극은 상기 기판으로부터 에피택셜 성장(epitaxial growth)되고, 상기 강유전층은 상기 제1 전극으로부터 에피택셜 성장되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도(Laser energy density)가 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도가 2.0 J/cm2 초과 2.7 J/cm2 미만으로 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 멤커패시터 소자의 제조 방법은 상기 강유전층을 형성하는 단계 이후 상기 제2 전극을 형성하는 단계 이전, 상기 강유전층을 냉각시키는 단계를 더 포함하되, 상기 강유전층의 냉각 속도가 20℃/min으로 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자는, 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판, 상기 기판 상에 배치되고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 배치되고, 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층, 상기 강유전층 상에 배치되는 제2 전극, 및 상기 제2 전극과 연결되는 와이어를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가해지는 전압의 펄스 수(pulse number)가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 갖는 멤커패시터 소자가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제1 전극과 강유전층의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제2 전극의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 와이어 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 XRD 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 AFM 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-전하량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 주파수 의존 전압-정전용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 다중 정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 특성을 비교하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 강유전층 내 철(Fe) 이온 비율을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층의 냉각 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 XRD 결과를 비교하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자를 촬영한 사진이다.
도 21은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 C-V 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 펄스 전압에 대한 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 뉴로모픽 특성을 확인하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 다중 정전용량 메모리 특성을 확인하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제1 전극과 강유전층의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제2 전극의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 와이어 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 XRD 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 AFM 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-전하량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 주파수 의존 전압-정전용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 다중 정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 특성을 비교하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 강유전층 내 철(Fe) 이온 비율을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층의 냉각 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 XRD 결과를 비교하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자를 촬영한 사진이다.
도 21은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 C-V 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 펄스 전압에 대한 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 뉴로모픽 특성을 확인하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 다중 정전용량 메모리 특성을 확인하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제1 전극과 강유전층의 형성을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 제2 전극의 형성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자의 제조 방법 중 와이어 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 기판(100)이 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)은 (001) 면을 갖는 스트론튬 티탄산염(SrTiO3, STO)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 다른 예를 들어, 상기 기판(100)은 알루미늄산화물(Al2O3), 아연산화물(ZnO), 마그네슘산화물(MgO), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 란탄알루미네이트(LaAlOx), 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 또는 니오븀 갈륨 산화물(NdGaO3) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기판(100) 상에 제1 전극(200)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(200) 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3) 타겟을 이용하여 펄스드 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(200)은 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 전극(200)은 700℃의 온도, 200 mTorr O2의 압력, 3 Hz 주파수, 2 J/cm2 레이저 에너지 밀도, 및 3125p 레이저 펄스 수 조건에서 40nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(200)은 상기 기판(100)으로부터 에피택셜 성장(epitaxial growth)될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극(200)은 상기 기판(100)과 같은 결정 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100) 및 상기 제1 전극(200)은 단결정(single-crystalline) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 전극(200) 상에 강유전층(300)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층(300)은 비스무스 페라이트(BiFeO3) 타겟을 이용하여 펄스드 레이저 증착법(PLD)으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 강유전층(300)은 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 강유전층(300)은 710℃의 온도, 200 mTorr O2의 압력, 10 Hz 주파수, 10000p 레이저 펄스 수 조건에서 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 비스무스 페라이트(BiFeO3) 타겟을 이용하여 펄스드 레이저 증착법(PLD)으로 형성된 상기 강유전층(300)에는 복수의 산소 공공(oxygen vacancy)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 강유전층(300)은 상기 제1 전극(200)으로부터 에피텍셜 성장될 수 있다. 이에 따라, 상기 강유전층(300)은 상기 제1 전극(200)과 같은 결정 구조를 가질 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 제1 전극(200)은 단결정 구조를 가짐에 따라, 상기 강유전층(300) 또한 단결정 구조를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층(300)을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도(Laser energy density)가 제어됨에 따라, 후술되는 멤커패시터의 다중 정전용량 특성이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 강유전층(300)을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도는 2.0 J/cm2 초과 2.7 J/cm2 미만으로 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 강유전층(300)은 다중 유전 상수를 가질 수 있으므로, 상기 강유전층(300)을 포함하는 멤커패시터는 다중 정전용량 특성을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 강유전층(300)을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도가 2.0 J/cm2 이하이거나 2.7 J/cm2 이상인 경우, 유전 손실이 증가되어 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 강유전층(300)이 2.0 J/cm2 초과 2.7 J/cm2 미만의 레이저 에너지 밀도(예를 들어, 2.4 J/cm2)에서 형성된 경우, 상기 강유전층(300) 내 Fe3+ 이온의 비율이 Fe2+이온의 비율보다 높을 수 있다. 구체적으로, Fe2+/Fe3+값은 0.9를 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 강유전층(300)이 2.0 J/cm2 이하 또는 2.7 J/cm2 이상의 레이저 에너지 밀도에서 형성된 경우, 상기 강유전층(300) 내 Fe2+ 이온의 비율과 Fe3+ 이온의 비율이 같거나, Fe2+ 이온의 비율이 Fe3+이온의 비율보다 높을 수 있다. 구체적으로, 상기 강유전층(300)이 2.0 J/cm2 또는 2.7 J/cm2의 레이저 에너지 밀도에서 형성된 경우, Fe2+/Fe3+ 값은 1.0을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 강유전층(300)이 1.7 J/cm2의 레이저 에너지 밀도에서 형성된 경우, Fe2+/Fe3+ 값은 1.08을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층(300)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(200) 상에 형성되되, 상기 제1 전극(200)의 일 부분이 노출되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(200)의 일 영역 상에 상기 강유전층(300)이 형성되고, 상기 제1 전극(200)의 다른 영역은 노출될 수 있다.
상기 제1 전극(200) 상에 상기 강유전층(300)이 형성된 후, 상기 강 유전층(300)이 냉각될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층(300)을 냉각시키는 속도가 제어됨에 따라, 후술되는 멤커패시터의 다중 정전용량 특성이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 강유전층(300)이 냉각되는 속도는 20℃/min으로 제어될 수 있다. 이에 따라, 후술되는 멤커패시터는 다중 정전용량 특성을 가질 수 있다. 이와 달리, 상기 강유전층(300)이 자연 온도 감소를 통해 냉각(예를 들어, 50~60℃/min의 속도로 냉각)되는 경우, 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 강유전층(300) 상에 제2 전극(400)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극(200)의 노출된 영역 상에 제2 전극(400)이 형성될 수 있다. 최종적으로, 상기 제2 전극(400)에 와이어(500)를 연결함으로써 멤커패시터 소자를 제조할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(400)은 타겟을 이용한 전자 빔 증발법(e-beam evaporation)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 타겟은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 카드뮴(Cd), 코발트(Co), 구리(Cu), 철(Fe), 게르마늄(Ge), 인듐(In), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 니켈(Ni), 납(Pb), 안티모니(Sb), 셀레늄(Se), 실리콘(Si), 주석(Sn), 탄탈륨(Ta), 텔루륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 또는 지르코늄(Zr) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 강유전층(300) 상에 형성되는 상기 제2 전극(400)은 복수의 패턴 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 강유전층(300) 상에 복수의 개구가 형성된 쉐도우 마스크를 배치한 후, 쉐도우 마스크의 개구를 통해 금속 물질들을 증착시킴으로써, 상기 강유전층(300) 상에 복수의 패턴 형태를 갖는 상기 제2 전극(400)이 형성될 수 있다.
상기 멤커패시터 소자에 양(+)의 바이어스가 인가되는 경우, 상기 제1 전극(200)으로부터 발생된 전자가 상기 강유전층(300) 내 산소 공공(oxygen vacancy)과 결합될 수 있다. 이에 따라, 상기 강유전층(300) 내 Fe3+ 이온은 Fe2+ 이온으로 변화될 수 있다.
이와 달리, 상기 멤커패시터 소자에 음(-)의 바이어스가 인가되는 경우, 상기 강유전층(300) 내 산소 공공과 결합된 전자가, 상기 산소 공공으로부터 방출될 수 있다. 이에 따라, 상기 강유전층(300) 내 Fe2+ 이온은 Fe3+ 이온으로 변화될 수 있다.
상술된 바와 같이, 바이어스의 인가에 따라 상기 강유전층(300) 내 철(Fe) 이온의 화학양론적 변화가 발생됨으로, 상기 강유전층(300)은 다중 유전 상수를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 멤커패시터 소자는 다중 정전용량 특성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 멤커패시터 소자는 4개 이상의 정전용량 값을 가질 수 있다.
상기 멤커패시터 소자의 다중 정전용량 특성은 전압 인가 시간에 따른 커패시턴스 값의 변화 측정을 통해 확인할 수 있다. 구체적으로, 상기 멤커패시터 소자에 대해 전압 인가 시간에 따른 커패시턴스 값의 변화를 측정한 결과, 상기 멤커패시터 소자는 오프 스테이트(Off state), 미들 스테이트(Middle state), 및 세트 스테이트(Set state) 각각의 스테이트가 분리되어 확인될 수 있다. 이에 따라, 상기 멤커패시터 소자의 다중 정전용량 특성이 확인될 수 있다.
또한, 상기 멤커패시터 소자는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 가질 수 있다. 상기 멤커패시터 소자의 뉴로모픽 특성은 가해지는 전압의 펄스 수에 따른 커패시턴스 값 변화 측정을 통해 확인할 수 있다. 구체적으로, 상기 멤커패시터 소자에 인가되는 전압의 펄스 수(pulse number) 증가에 따른 커패시턴스 값의 변화를 측정한 결과, 커패시터스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 것을 확인함으로써 상기 멤커패시터 소자의 뉴로모픽 특성을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예가 설명된다.
실험 예 1에 따른 멤커패시터 제조
5x5 mm 면적의 (001) SrTiO3 기판 상에 펄스드 레이저 증착법(PLD)으로 하부 전극인 SrRuO3 박막 및 강유전층인 BiFeO3 박막을 형성하였다. 구체적으로, PLD 챔버에 기판을 로딩한 후 700℃, 200mTorr O2, 3Hz, 2J/cm2 조건으로 3125p(펄스 수) 증착함으로써 40 nm 두께의 SrRuO3 박막을 형성했고, 710℃, 200mTorr O2, 10Hz, 2.4J/cm2 조건으로 10000p(펄스 수) 증착함으로써 200 nm 두께의 BiFeO3 박막을 형성했다.
이후, BiFeO3 강유전층 상에 스퍼터링(Sputtering) 공정으로 원기둥 형상의 백금(Pt) 상부 전극을 형성하였다. 구체적으로, BiFeO3 강유전층 상에 쉐도우 마스크(shadow mask)를 올린 상태에서 스퍼터 챔버에 로딩한 후, 백금(Pt)을 5분 54초 동안 증착함으로써 100 nm 두께의 백금(Pt) 상부 전극을 형성하였다.
도 5는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 XRD 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대한 AFM 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대해 XRD(X-ray diffraction) 분석을 수행한 후 그 결과를 도시하였다. 도 6을 참조하면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층에 대해 AFM(Atomic Force Microscope) 분석을 수행한 후 그 결과를 도시하였다. 도 5 및 도 6에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예에 따른 멤커패시터는 단결정(singe-crystalline) 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 전압-전하량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타내고, 도 8을 참조하면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 전하량(Charge, 10-10C)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 7에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 전압-정전용량 hysteresis 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 전압-전하량 pinched hysteresis 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 전압-정전용량 hysteresis 특성과 전압-전하량 pinched hysteresis 특성을 모두 나타냄으로, 멤커패시터임을 확인할 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 주파수 의존 전압-정전용량을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 서로 다른 측정 주파수(100kHz, 1MHz, 10MHz, 100MHz) 영역에서 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 1MHz 이상의 측정 주파수 영역에서 전압-정전용량 hysteresis 특성이 비슷한 수치로 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 7에서 설명된 측정을 100회 반복한 경우, ON 상태의 정전용량값 분포도를 나타낸다. 도 10에서 확인할 수 있듯이, 100회 반복된 경우에도 ON state의 분포도가 가우시안 분포도를 어느 정도 따르는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 도 9 및 도 10에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 높은 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 다중 정전용량 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 서로 다른 전압(-4V~+4V, -4V~+3.75V, -4V~+3.5V)를 인가한 후, 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 11에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 인가되는 전압이 3단계로 조절(-4V~+4V, -4V~+3.75V, -4V~+3.5V)됨에 따라, 정전용량 또한 3단계로 조절되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 OFF 상태를 포함하여, ON1 상태, ON2 상태, ON3 상태까지 4가지 다중 정전용량 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 12를 참조하면, 도 11에서 확인된 OFF 상태, ON1 상태, ON2 상태, 및 ON3 상태의 유지력을 나타낸다. 도 12에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는, OFF 상태, ON1 상태, ON2 상태, 및 ON3 상태 모두 1000초 이상의 시간 동안 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
도 13을 참조하면, ONn(n=1, 2, 3)에 해당하는 전압(write voltage, ON1=3.5V, ON2=3.75V, ON3=4V)이 인가된 후 0V(read voltage)에서의 정전용량과, OFF에 해당하는 전압(reset voltage=-4V)이 인가된 후 정전용량을 측정하였다. 또한, 상술된 과정들을 pulse train 형태로 반복하고, OFF 상태, ON1 상태, ON2 상태, 및 ON3 상태의 유지력을 측정하였다.
도 13에서 확인할 수 있듯이, ONn(n=1, 2, 3)에 해당하는 전압(ON1=3.5V, ON2=3.75V, ON3=4V)이 인가된 후 0V(read voltage)에서의 정전용량을 측정한 결과, 인가해준 전압에 따라 read voltage에서의 정전용량 값이 조절되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 조절되었던 정전용량 값들은 OFF에 해당하는 전압(reset voltage=-4V)이 가해지면 앞서 인가되었던 write voltage에 상관없이 같은 값으로 돌아가는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 상술된 과정들을 pulse trains 형태로 반복하였을 때, OFF 상태, ON1 상태, ON2 상태, 및 ON3 상태 값들이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 도 11 내지 도 13을 통해 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 4가지 다중 정전용량 특성을 갖고, 이에 대한 높은 신뢰성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
실험 예 2에 따른 멤커패시터 제조
상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 멤커패시터를 제조하되, 1.7 J/cm2의 레이저 에너지 밀도로 BiFeO3 강유전층이 제조되었다.
실험 예 3에 따른 멤커패시터 제조
상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 멤커패시터를 제조하되, 2.0 J/cm2의 레이저 에너지 밀도로 BiFeO3 강유전층이 제조되었다.
실험 예 4에 따른 멤커패시터 제조
상술된 실험 예 1에 따른 방법으로 멤커패시터를 제조하되, 2.7 J/cm2의 레이저 에너지 밀도로 BiFeO3 강유전층이 제조되었다.
상술된 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층 제조 과정에 사용된 레이저 에너지 밀도가 아래의 <표 1>을 동해 정리된다.
| 구분 | 레이저 에너지 밀도 (J/cm2) |
| 실험 예 1 | 2.4 |
| 실험 예 2 | 1.7 |
| 실험 예 3 | 2.0 |
| 실험 예 4 | 2.7 |
도 14는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 특성을 비교하는 도면이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 상기 실험 예 2(1.7 J/cm2)에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 상기 실험 예 2에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값을 측정하였다.
도 14의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 2에 따른 멤커패시터의 경우 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험 예 2에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값은 약 0.45로 측정되었다.
도 14의 (b)를 참조하면, 상기 실험 예 3(2.0 J/cm2)에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 상기 실험 예 3에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값을 측정하였다.
도 14의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 3에 따른 멤커패시터의 경우 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험 예 3에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값은 약 0.25로 측정되었다.
도 14의 (c)를 참조하면, 상기 실험 예 1(2.4 J/cm2)에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값을 측정하였다.
도 14의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 3에 따른 멤커패시터의 경우 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험 예 3에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값은 약 0.15로 측정되었다.
도 14의 (d)를 참조하면, 상기 실험 예 4(2.7 J/cm2)에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 상기 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값을 측정하였다.
도 14의 (d)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 경우 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 BiFeO3 강유전층에서 발생된 유전 손실(Loss tangent) 값은 약 0.35로 측정되었다.
도 14의 (a) 내지 (d)를 통해 측정된 결과가 아래의 <표 2>를 통해 정리된다.
| 구분 | 레이저 에너지 밀도 | 유전 손실 (Loss tangent) |
다중 정전용량 특성 |
| 실험 예 2 | 1.7 J/cm2 | ~0.45 | X |
| 실험 예 3 | 2.0 J/cm2 | ~0.25 | X |
| 실험 예 1 | 2.4 J/cm2 | ~0.15 | O |
| 실험 예 4 | 2.7 J/cm2 | ~0.35 | X |
도 14의 (a) 내지 (d) 및 <표 2>에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 2, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 멤커패시터는 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 반면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터는 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, BiFeO3 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도가 1.7 J/cm2에서 2.4 J/cm2로 증가함에 따라 유전 손실도 점점 감소하지만, 2.4 J/cm2에서 2.7 J/cm2로 증가함에 따라 유전 손실이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 2.4 J/cm2의 레이저 에너지 밀도 조건에서 형성된 BiFeO3 강유전층은 다중 정전용량 특성을 가질 뿐만 아니라, 유전 소실 또한 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
또한, 다중 정전용량 특성을 가지면서 최소한의 유전 소실값을 갖기 위한 레이저 에너지 밀도의 하한은 2.0 J/cm2이고 상한은 2.7 J/cm2인 것을 알 수 있었다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 강유전층 내 철(Fe) 이온 비율을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패서의 BiFeO3 강유전층 내 Fe2+이온과 Fe3+이온의 비율을 측정하였다. 측정된 결과는 아래의 <표 3>을 통해 정리된다.
| 구분 | 레이저 에너지 밀도 | Fe2+/Fe3+ |
| 실험 예 2 | 1.7 J/cm2 | 1.08 |
| 실험 예 3 | 2.0 J/cm2 | 1.00 |
| 실험 예 1 | 2.4 J/cm2 | 0.90 |
| 실험 예 4 | 2.7 J/cm2 | 1.00 |
도 15, 도 16, 및 <표 3>에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 2 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 경우 강유전층 내 Fe2+/Fe3+ 비율이 1이거나 1보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실험 예 2 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 경우 강유전층 내 Fe2+이온의 비율과 Fe3+의 비율과 같거나, Fe2+이온의 비율이 Fe3+이온의 비율보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 경우 강유전층 내 Fe2+/Fe3+ 비율이 1보다 작은 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 경우 강유전층 내 Fe3+이온의 비율이 Fe2+이온의 비율보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 도 14 내지 도 16에서 확인할 수 있듯이, SrTiO3 기판/SrRuO3 전극/BiFeO3 강유전층 구조를 갖는 멤커패시터를 제조하는 과정에서, BiFeO3 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도를 제어함으로써 다중 메모리 특성이 제어될 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 레이저 에너지 밀도가 2.0 J/cm2 초과 2.7 J/cm2 미만으로 제어함으로써 다중 메모리 특성이 나타날 수 있음을 알 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실험 예 1에 따른 멤커패시터의 강유전층의 냉각 속도에 따른 특성 변화를 비교하는 도면이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, BiFeO3 강유전층이 서로 다른 냉각 속도(50~60℃/min 또는 20℃/min)로 냉각된 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터가 준비한 후 각각의 특성을 측정하였다.
구체적으로, 도 17의 (a)는 자연 온도에서 냉각(냉각 속도 50~60℃/min)된 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다. 도 17의 (b)는 20℃/min의 냉각 속도로 냉각된 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 정전용량(Capacitance, pF)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 17의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 자연 온도에서 냉각(냉각 속도 50~60℃/min)된 경우 다중 정전용량 특성이 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리, 도 17의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 20℃/min의 냉각 속도로 냉각된 경우 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 18의 (a)는 자연 온도에서 냉각(냉각 속도 50~60℃/min)된 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 Dissipation Factor를 측정한 결과를 나타낸다. 도 18의 (b)는 20℃/min의 냉각 속도로 냉각된 상기 실험 예 1에 따른 멤커패시터에 전압을 인가한 후 인가된 전압에 따른 Dissipation Factor를 측정한 결과를 나타낸다.
도 18의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 자연 온도에서 냉각(냉각 속도 50~60℃/min)된 경우 상대적으로 높은 값의 Dissipation Factor 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리, 도 18의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 20℃/min의 냉각 속도로 냉각된 경우 상대적으로 낮은 값의 Dissipation Factor 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 19는 본 발명의 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 XRD 결과를 비교하는 도면이다.
도 19를 참조하면, 상기 실험 예 1 내지 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 XRD(X-Ray Diffraction) out of plane scan data를 나타낸다. 도 19에서 확인할 수 있듯이, 1.7 J/cm2에서 레이저 에너지 밀도에서 형성된 실험 예 2에 따른 멤커패시터를 제외하고, 상기 실험 예 1, 실험 예 3, 및 실험 예 4에 따른 멤커패시터의 XRD out of plane scan data는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 다중 정전용량 멤커패시터 특성의 유무는 구조적 차이가 아닌 화학양론적 차이인 것을 알 수 있었다.
실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자 제조
5x3 mm 면적의 (001) SrTiO3 기판 상에 펄스드 레이저 증착법(PLD)으로 하부 전극인 SrRuO3 박막을 형성하였다. 구체적으로, PLD 챔버에 기판을 로딩한 후 700℃, 200mTorr O2, 3Hz, 2J/cm2 조건으로 3125p(펄스 수) 증착함으로써 40 nm 두께의 SrRuO3 박막을 형성하였다.
SrRuO3 박막 상에 Si 브릿지(bridge)를 배치하여 일부 영역을 가린 상태에서, 펄스드 레이저 증착법(PLD)으로 BiFeO3 박막을 형성하고 Si 브릿지를 제거하였다. 즉, 도 3을 참조하여 설명된 구조를 갖도록, SrRuO3 박막의 일부 영역 상에 BiFeO3 박막을 형성하고, SrRuO3 박막의 나머지 영역은 노출시켰다. 보다 구체적으로, 710℃, 200mTorr O2, 10Hz, 2 J/cm2 조건으로 10000p(펄스 수) 증착함으로써 200 nm 두께의 BiFeO3 박막을 형성했다.
BiFeO3 강유전층 상에 쉐도우 마스크(shadow mask)를 올린 상태에서 e-beam evaporation 방법으로 100 nm 두께의 백금(Pt) 상부 전극을 패턴 형태로 형성하였다. 또한, SrRuO3 박막의 노출된 영역 상에도 100 nm 두께의 백금(Pt) 상부 전극을 형성하였다.
최종적으로, 백금 상부 전극에 알루미늄 와이어의 일단을 연결하고, 알루미늄 와이어의 타단을 SPECTRUM 사의 dual in-line package(DIP) 소자에 연결하여 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자를 제조하였다.
도 20은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자를 촬영한 사진이다.
도 20을 참조하면, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자를 촬영한 사진을 나타낸다. 도 20에서 확인할 수 있듯이, 실험 예 5에 따른 맴커패시터 소자의 백금(Pt) 상부 전극에 알루미늄 와이어가 연결된 것을 확인할 수 있다.
도 21은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 C-V 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자에 대해 전압(Voltage, V)에 따른 커패시턴스(Capacitance, F)를 측정하여 나타낸다.
도 21에서 확인할 수 있듯이, SET capacitance는 1.80 x 10-10(F)를 나타내고, Off capacitance는 1.66 x 10-10(F)나타내어 8.4%의 변조율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, SPECTRUM 사의 dual in-line package(DIP) 소자와의 와이어 연결 이후에도 다중 정전용량 메모리 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
도 22는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 펄스 전압에 대한 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 22를 참조하면, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자에 대해 시간(Time, μs)에 따른 전압(Voltage, V)를 측정하여 나타낸다.
도 22에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자에 전압을 가한 경우 안정적으로 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있었다.
도 23은 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 뉴로모픽 특성을 확인하기 위한 도면이다.
도 23을 참조하면, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자에 대해 인가 전압 펄스 수(Nuber of pulse)에 따른 커패시턴스(Capacitance, F) 변화를 측정하여 나타낸다.
구체적으로, 도 23의 (a)는 3V 크기, 10-7초의 작동시간, 10 μm의 폭을 가진 펄스 전압을 이용하여 potentiation을 진행한 결과를 나타내고, 도 23의 (b)는 -3V 크기, 10-7초의 작동시간, 50 μm의 폭을 가진 펄스 전압을 이용하여 depression을 진행한 결과를 나타낸다.
도 23에서 확인할 수 있듯이, 펄스 수가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자는 뉴로모픽 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 24는 본 발명의 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자의 다중 정전용량 메모리 특성을 확인하기 위한 도면이다.
도 24를 참조하면, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자에 대해 전압 인가 시간(Time, s)에 따른 커패시턴스(Capacitance, F) 변화를 측정하여 나타낸다.
도 24에서 확인할 수 있듯이, 오프 스테이트(Off state), 미들 스테이트(Middle state), 및 세트 스테이트(Set stage) 각각의 스테이트에서 전압 인가 시간 1000s에 대해 안정적으로 분리된 스테이트가 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실험 예 5에 따른 멤커패시터 소자는 다중 정전용량 메모리 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
100: 기판
200: 제1 전극
300: 강유전층
400: 제2 전극
500: 와이어
200: 제1 전극
300: 강유전층
400: 제2 전극
500: 와이어
Claims (12)
- 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 배치되고, 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층;
상기 강유전층 상에 배치되는 제2 전극; 및
상기 제2 전극과 연결되는 와이어를 포함하되,
가해지는 전압의 펄스 수(pulse number)가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 갖는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
다중 정전용량 메모리 특성을 갖는 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
전압 인가 시간에 따른 커패시턴스 값의 변화를 측정한 결과, 오프 스테이트(Off state), 미들 스테이트(Middle state), 및 세트 스테이트(Set state) 각각의 스테이트가 분리되어 확인되는 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 강유전층은 단결정(single-crystalline) 구조를 갖는 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 강유전층 내 Fe3+ 이온의 비율이 Fe2+ 이온의 비율보다 높은 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
양(+)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 Fe3+ 이온은 Fe2+ 이온으로 변화되고,
음(-)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 Fe2+ 이온은 Fe3+ 이온으로 변화되는 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 제1 항에 있어서,
양(+)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 제1 전극으로부터 발생된 전자가 상기 강유전층 내 산소 공공(vacancy)과 결합되고,
음(-)의 바이어스가 인가되는 경우 상기 강유전층 내 산소 공공과 결합된 전자가, 상기 산소 공공으로부터 방출되는 것을 포함하는 멤커패시터 소자.
- 스트론튬 티탄산염(SrTiO3)을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에, 펄스드 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)을 통해 스트론튬 루테늄 산화물(SrRuO3)을 포함하는 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에, 펄스트 레이저 증착법을 통해 비스무스 페라이트(BiFeO3)를 포함하는 강유전층을 형성하는 단계;
상기 강유전층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제2 전극에 와이어를 연결하는 단계를 포함하되,
가해지는 전압의 펄스 수(pulse number)가 증가함에 따라 커패시턴스 값이 리니어(linear)하게 변조되는 뉴로모픽(neuromorphic) 특성을 갖는 멤커패시터 소자의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 기판으로부터 에피택셜 성장(epitaxial growth)되고, 상기 강유전층은 상기 제1 전극으로부터 에피택셜 성장되는 것을 포함하는 멤커패시터 소자의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,
상기 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도(Laser energy density)가 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 제어되는 것을 포함하는 멤커패시터 소자의 제조 방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 강유전층을 형성하기 위한 레이저 에너지 밀도가 2.0 J/cm2 초과 2.7 J/cm2 미만으로 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 포함하는 멤커패시터 소자의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서,
상기 강유전층을 형성하는 단계 이후 상기 제2 전극을 형성하는 단계 이전, 상기 강유전층을 냉각시키는 단계를 더 포함하되,
상기 강유전층의 냉각 속도가 20℃/min으로 제어됨에 따라, 다중 정전용량 특성이 나타나는 것을 포함하는 멤커패시터 소자의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220152826A KR20240071099A (ko) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 뉴로모픽 특성을 갖는 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220152826A KR20240071099A (ko) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 뉴로모픽 특성을 갖는 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법 |
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| KR1020220152826A KR20240071099A (ko) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 뉴로모픽 특성을 갖는 다중 정전용량 멤커패시터 소자 및 그 제조 방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101742384B1 (ko) | 2015-09-07 | 2017-06-02 | 한양대학교 산학협력단 | 저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법 |
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2022
- 2022-11-15 KR KR1020220152826A patent/KR20240071099A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| KR101742384B1 (ko) | 2015-09-07 | 2017-06-02 | 한양대학교 산학협력단 | 저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법 |
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