용액공정으로 제작된 CuBr 박막의 저항 스위칭 특성 = Resistive Switching Characteristics of solution processed CuBr thin film

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Resistive switching devices based on halide perovskites exhibit promising potential in flexible resistive random-access memory (RRAM) owing to low fabrication cost and low processing temperature. However, the phase instability and stoichiometric complexity of these materials pose a significant challenge to their commercialization. In this research, we present a significant advancement in the field of non-volatile memory technology with the development of a binary metal halide system for resistive random access memory (RRAM). Utilizing copper bromide (CuBr) as the resistance switching layer, the proposed RRAM devices demonstrate remarkable stability and reliability. The Au/CuBr/Au device showcases an impressive on/off ratio of 5 × 101, which is a substantial achievement for data storage devices. Furthermore, the devices exhibit exceptional data retention capabilities, maintaining data integrity for over 300 days at room temperature. The endurance of the devices, withstanding over 1.2 × 104 cycles, indicates their potential for long-term applications. This research could pave the way for the next generation of memory devices that are highly stable and suitable for ambient environmental conditions, marking a notable contribution to the advancement of memory storage solutions. X-ray photoemission spectroscopy has been instrumental in understanding the chemical states and electronic structures of the CuBr resistance switching layer, highlighting the metal bridge filament formation process driven by copper ions. This process underpins the area-dependent resistances in the Low Resistance State (LRS) and High Resistance State (HRS), as well as the temperature-dependent resistances, supporting the resistive switching mechanism through a self-formed conductive filament (CF) of metallic copper. The ability of these filaments to form and rupture within the CuBr layer is central to the switchable resistance characteristic of these devices. The promising potential of CuBr-based memristor is underscored by the stability of CuBr memristors in air and their fabrication via a low-temperature solution method.

기존의 전하 기반 메모리 소자를 대체할 수 있는 저항 스위칭 (Resistive Switching, RS) 기반의 비휘발성 메모리 소자는 최근 학계와 업계에서 많은 관심을 받고 있다. 할로겐화물 페로브스카이트 기반의 저항 스위칭 소자는 낮은 제조 비용과 낮은 공정 온도로 인해 유연한 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)에서 유망한 잠재력을 보여준다. 그러나 소재의 상 불안정성과 화학량론적 복잡성은 상용화에 큰 걸림돌로 작용한다. CuBr (브롬화구리)는 광전자 특성과 상 안정성으로 인해 기능성 저항 스위칭 재료로서 높은 가능성을 지닌 것으로 기대된다.
이 연구에서는 CuBr를 기반으로 한 비휘발성 저항 스위칭 (RS) 메모리 소자에 대해 보고한다. 저온 용액 공정을 사용하여 25 nm 두께의 CuBr 필름을 금/유리 기판 위에 성공적으로 증착했다. Au/CuBr/Au 구조의 RS 메모리 소자는 낮은 동작 전압 (<1.2 V), 높은 온/오프 비율 (>5 ×101), ≈ 1 x104 사이클 이상의 우수한 내구성과 함께 긴 유지 특성 (300일 이상)으로 재현 가능하고 안정적인 바이폴라 스위칭 특성을 나타낸다.
또한 다양한 전극의 영향을 통해 CuBr 멤리스터의 전기적 특성의 메커니즘을 규명했으며, 금속 양이온에 의해 형성된 전도성 필라멘트가 메모리 소자의 RS 거동을 설명하는 메커니즘을 제안했다. 이 연구는 저전압 저항 스위칭을 위한 CuBr의 본질적인 특성을 이해하고, 차세대 컴퓨팅 시스템의 저전력 소비 비휘발성 메모리 소자에 사용될 수 있는 큰 잠재력을 입증하는 데 기여할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 차세대 메모리 종류와 연구 동향 1
• 1.2. 저항 메모리 (Resistive RAM) 소자 3
• 1.2.1. 저항 메모리의 스위칭 특성 7
• 1.2.2. 저항 스위칭의 기본 메커니즘과 분석 기법 9
• 1.2.3. 저항 메모리의 재료와 특징 12
• 1.2.3.1. Metal oxides 13
• 1.2.3.2. Organic materials 13
• 1.2.3.3. Halide Perovskite 13
• 1.2.3.4. Binary halide 16
• 1.2.4. 저항 메모리에 대한 연구 동향 16
• 2. 이론 및 배경 22
• 2.1. CuBr의 특성 22
• 2.2. CuBr 증착 방법과 용액 공정의 이점 22
• 2.3. 본 논문의 전망과 독창성 23
• 3. 실험 24
• 3.1. CuBr 박막 기반 멤리스터 제작 24
• 3.1.1. 재료 24
• 3.1.2. CuBr 용액 준비 24
• 3.1.3. CuBr 박막 기반 소자 제작 24
• 3.1.4. CuBr 박막 기반 소자 특성 분석 장비 25
• 4. 결과 및 고찰 28
• 4.1. CuBr 박막 기반 멤리스터의 물성 특성 평가 28
• 4.1.1. SEM, TEM 분석 28
• 4.1.2. AFM 분석 28
• 4.1.3. XRD 분석 28
• 4.2. CuBr 박막 기반 멤리스터의 전기적 특성 평가 및 메커니즘 분석 32
• 4.2.1. I-V curve 분석 32
• 4.2.2. 온도에 따른 I-V curve 분석 36
• 4.2.3. EIS 분석
• 4.2.4. XPS 분석 39
• 4.2.5. 박막 두께에 따른 I-V curve 분석 42
• 4.2.6. 전극에 따른 I-V curve 분석 44
• 4.3. CuBr 박막 기반 멤리스터의 안전성 평가 49
• 4.3.1. Endurance 49
• 4.3.2. Retention 51
• 4.4. Crossbar array 53
• 4.4.1. Cumulative probability 53
• 5. 결론 55
• 6. 참고 문헌 57
• 국문 초록 69
• 발표 목록 71
• 투고 논문 73