TiOx RRAM 소자의 광 조사에 따른 전기적 특성 연구 = Current-Voltage characteristics of TiOx RRAM device with light illumination

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 리간드(Ligand)의 종류에 따른 TiO2 용액을 합성하고, 이를 이용하여 금속-유기 구조체의 반도체 소자를 제작하였다. 제작된 소자의 절연막은 TiCl4를 포함한 Ti 전구체와 리간드 등의 용액을 합성하여 제조하였다. 실험에 사용된 리간드의 종류는 D.I water, pyridine, 2-(methylamino) pyridine으로, 제작된 소자는 리간드의 종류에 따라 W, Y, R1, R2로 지칭하였다. 그리고 소자에 빛을 조사하여 빛에 의한 저항 변화 특성을 확인하였다. 소자의 빛에 의한 특성을 확인하기 위하여 하부 전극인 ITO(Indium tin oxide)에 가시광선과 자외선 파장의 빛을 조사하고 I-V sweep을 진행하였다. 소자에 전류가 흐르는 기본적인 동작원리는 전자의 short range hopping에 의해 동작하고, 소자들은 합성에 사용된 리간드의 종류와 조사된 활성화 에너지에 따라 각각 다른 특성을 나타낸다.
합성 용액은 소자의 절연막 역할을 담당하기 때문에, 절연 특성을 먼저 확인하였다. 확인된 결과에 따라 Y, R1, R2 소자를 이용하여 파장에 따른 laser 실험을 진행하였다. 그 결과, Y 소자는 빛에 의한 특성이 나타나지 않았다. 그리고 R1 소자는 가시광선 영역의 파장에서 저항 변화 특성이 나타났지만, 저항성 스위칭 거동이 확인되지 않았다. 따라서, 가시광선과 자외선 영역의 파장을 이용하여 R2 소자에 빛을 조사하였다. R2 소자에서는 저항 변화 특성뿐만 아니라 스위칭 특성까지 확인되었다. 이러한 특성은 빛의 파장, 광원 파워 및 조사 시간을 조절하여 확인할 수 있었다. 하지만, 저항성 스위칭 특성이 나타나는 경향성만 확인되었고 안정적인 재현성은 확인되지 않았다.
생물학적 시냅스 특성을 구현하기 위하여 사용되는 RRAM은 저항 변화를 이용한 빠른 스위칭 속도, 낮은 전력 손실, 높은 전기적 내구성 등의 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 실험에서는 유기 화합물의 저항성 재료와 금속 산화물 사이의 상호작용을 통하여 저항 변화를 확인하고자 하였다. 또한, 자외선(UV)과 가시광선을 이용한다는 점에서, 빛을 이용하여 전자 흐름을 제어할 수 있다면 편의성 및 뉴로모픽 소자의 적용 가능성이 크게 증가할 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a TiO2 solution according to the type of ligand was synthesized and a semiconductor device of a metal-organic structure was manufactured using the TiO2 solution. The insulating film of the manufactured device was prepared by synthesizing a solution of a Ti precursor including TiCl4 and a ligand. The types of ligands used in the experiment were D.I water, pyridine, and 2-(methylamino) pyridine. The manufactured device was designated to as W, Y, R1, and R2 according to the type of ligand. And light was irradiated to the device to confirm the characteristics of resistance change due to light. In order to confirm the characteristics of the device by light, the lower electrode, indium tin oxide (ITO), was irradiated with light of visible and ultraviolet wavelengths, and I-V sweep was performed. The basic operating principle of the current flowing
through the device is short range hopping of electron. The elements exhibit different characteristics depending on the type of ligand used in the synthesis and the irradiated activation energy.
Since the synthetic solution serves as the insulating film of the device, the insulating properties were first confirmed. According to the confirmed results, laser experiments were performed according to wavelength using Y, R1, and R2 devices. As a result, the Y element did not show characteristics by light. In addition, although the resistance change characteristic of the R1 device was shown in the wavelength of the visible light region, the resistive switching behavior was not confirmed. Therefore, light was irradiated to the R2 device using wavelengths in the visible and ultraviolet regions. In the R2 device, not only resistance change characteristics but also switching characteristics were confirmed. These characteristics were confirmed by controlling the wavelength of light, the power of the light source, and the irradiation time. However, only the
tendency of resistive switching characteristics was confirmed, and stable reproducibility was not confirmed.
RRAM used to implement biological synaptic characteristics has advantages such as fast switching speed using resistance change, low power loss, and high electrical durability. Therefore, in this experiment, it was attempted to confirm the resistance change through the interaction between the resistive material of the organic compound and the metal oxide. Furthermore, given the use of UV and visible light, convenience and applicability of neuromorphic devices are expected to increase significantly if electron flow can be controlled using light.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. Neuromorphic 1
• 1.2. RRAM(Resistive Random Access Memory) 4
• 제2장 실험 방법 6
• 2.1. TiO2 용액 합성 & 소자 제작 6
• 2.2. 제작된 소자의 동작 원리 10
• 2.3. 소자의 특성 확인 14
• 2.4. Y 소자의 laser 실험 19
• 2.5. R1 소자의 laser 실험 21
• 2.6. R2 소자의 laser 실험 23
• 제3장 실험 결과 및 토의 25
• 3.1. Y 소자의 laser 실험 결과 25
• 3.2. R1 소자의 laser 실험 결과 29
• 3.2.1 파장에 따른 저항 변화 확인 29
• 3.2.2 Red laser & Blue laser 이용한 스위칭 특성 확인 35
• 3.3. R2 소자의 laser 실험 결과 37
• 3.3.1 가시광선 및 자외선 파장의 특성 확인 37
• 3.3.2 가시광선 및 자외선 파장을 이용한 스위칭 특성 확인 44
• 제4장 결론 50
• 참고문헌 52
• 국문 초록 58
• Abstract 60
• 학회 발표 및 연구 논문 실적 62