A Study on the Operating Mechanisms of Nonvolatile Memory Devices fabricated utilizing ZnO Nanoparticles embedded in a Polymer Layer

Abstract

무기물과 유기물로 이루어진 유기 쌍안정성 소자는 차세대 비휘발성메모리 소자로 주목 받고 있다. 유기 쌍안정성 소자에 대해 약간의 연구가 진행이 되었으나, 메모리 효과 개선을 위해 동작원리에 대한 규명이 더 필요하다. 본 연구에서는, 고분자 박막 사이에 분산된 ZnO 나노 입자로 만들어진 유기 쌍안정성 소자의 전기적 특성과 동작 원리를 규명해 보고자 하였다. 기본적으로 유기 쌍안정성 소자의 전기적 특성인 전기적 쌍안정성은 고분자 박막을 형성시켰다. 그 후, ZnO 나노 입자의 존재와 미세 구조를 파악하기 위해 주사 전자 현미경, 투과 전자 현미경을 사용하여 관측하였다. 전극/ZnO 나노 입자를 포함한 고분자 박막/산화인듐주석 트명 전극구조의 소자 제작을 마친 후, 전기적 특성을 알아보기 위해 전류-전압 측정을 하였다. 소자의 ON/OFF 비율을 얻어낼 수 있었고, 비휘발성 메모리 소자의 전기적 특성인 전기적 쌍안정성이 관찰되었다. 전류-전압 측정을 통해 관측된 유기 쌍안정성 소자의 전기적 쌍안정성 및 유기 쌍안정성 소자의 동작 원리를 에너지 밴드 다이어그램을 사용해 규명하였다. 전극/ZnO 나노 입자를 포함한 고분자 박막/산화인듐주석 투명 전극 구조의 소자와 더불어, 전자 수송 층의 역할을 하는 C_(60) 층을 포함한 전극/C_(60)/ZnO 나노 입자를 포함한 고분자 박막/C_(60)/산화인듐주석 투명 전극 구조의 유기 쌍안정성 소자를 제작하여 유기 쌍안정성 소자의 메모리 효과를 개선시켰다. 고분자 박막 안에 삽입된 ZnO 나노 입자를 사용한 비휘발성 메모리의 전기적 쌍안정성과 동작 원리에 관한 연구결과는 차세대 비휘발성 메모리 개발에 큰 도움을 줄 것이다.; Organic bistable devices (OBDs) fabricated utilizing inorganic/organic hybrid composites have emerged as an excellent candidate for their potential application in next-generation nonvolatile memory devices. Even though some studies concerning the electrical bistable properties on the OBDs have been reported, studies on carrier transport mechanism of the OBDs fabricated utilizing an organic layer containing inorganic nanoparticles are still necessary for enhancing memory effects. This thesis reports data for the electrical properties and the carrier transport mechanisms of OBDs fabricated by utilizing ZnO nanoparticles embedded in an insulating polymer layer. The electrical bistability related to the memory effect for the fabricated devices originates from the charging and discharging process in the ZnO nanoparticles embedded in a polymer layer. The active polymer layers containing ZnO nanoparticles for the organic memory devices used in this work were fabricated by using a spin coating method. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscope (TEM) measurements were performed to investigate the existence and the microstructural properties of the ZnO nanoparticles embedded in a polymer layer. Current-voltage (I-V) measurements at 300 K have been performed to investigate the electrical properties of the fabricated organic memory devices. The I-V characteristics for the Al/ZnO nanoparticles embedded in an insulating polymer layer/indium-tin-oxide/glass structure show that an apparent electrical hysteresis is clearly observed, indicative of essential feature for a bistable device. The maximum difference between the high conductivity state and the low conductivity state as well as the maximum on/off ratio of the fabricated organic memory devices is large enough to be used for nonvolatile memory devices, as determined from the I-V curves. Also, the storage capability of the OBDs containing C_(60) layers was compared with those without C_(60) layers. Furthermore, the electronic structure and operating mechanisms of the charging and discharging processes for the fabricated OBDs are described on the basis of the I-V curves. These results indicate that the OBDs fabricated utilizing ZnO nanoparticles embedded in an active polymer layer hold a promise for potential applications in next-generation nonvolatile memory devices.