α-NPD를 이용한 유기 비휘발성 메모리에 대한 연구

Abstract

현재 가장 널리 사용되고 있는 비휘발성 메모리는 플래시 메모리로 비휘발성 메모리 시장의 거의 100%를 차지하고 있다. 플래시 메모리의 용량은 매년 2배씩 증가하여 현재는 2 Gbit과 4 Gbit NAND형 플래시 메모리가 주종으로 사용되고 있으며, 최근에는 16 Gbit NAND형 플래시 메모리가 개발된 상태이다. 하지만, 많은 전문가들은 플래시 메모리가 향후 3~4 년 정도 발전을 지속한 후, 32Gbit ~ 64Gbit에서 발전에 한계가 올 것으로 예상하고 있다. 향후 현재의 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리로서 FRAM, MRAM, PRAM, NFGM, ReRAM 그리고 PoRAM이 연구되고 있다. 본 논문에서 연구한 차세대 비휘발성 메모리 중 PoRAM은 동작 속도(write/erase time)가 10ns 이하 정도로 고속 동작이 가능하고 capacitor가 필요없는 1R 구조이며, 공정이 단순하고 기존 C-MOSFET 공정과 정합이 간단하여 다른 차세대 비휘발성 메모리 소자인 PRAM, NFGM, ReRAM에 비해 initial feature size가 45nm 정도로 가장 집적도가 높으며 반응속도가 nano-second로서 빠른 장점을 가지고 있으나, PoRAM소자의 bistable 저항 물질 유기 소재가 수분에 민감하여 retention time이 짧은 문제점을 가지고 있다. 또한 PoRAM의 메모리동작 mechanism이 명확히 밝혀지지 않고 있으며 retention time 특성과 더불어 endurance특성도 매우 나쁘다. 이러한 문제점을 이러한 문제점을 해결하기 위해 대기 중에도 특성을 유지 할 수 있는 Passivation Layer에 대한 연구가 병행 되어야하며 새로운 PoRAM용 유기 소재 개발 연구가 절실히 필요하다. 본 논문에서는 top Al/α-NPD/Al nano-crystal surrounded by Al2O3/α-NPD/bottom Al의 구조를 이용하여 재현성있는 최적 조건을 찾는 실험을 진행하였다. 유기 메모리 제작공정은 in-situ multi-evaporation 방법을 이용하여 진행하였으며, 최적 구조의 유기 메모리 개발에 성공하였다. 최적화된 유기 메모리는 2.8 V의 V_(th), 5.3 V의 V_(p) 그리고 6.4 V의 V_(e)를 가지는 안정적인 메모리 특성을 보였으며, 전압이 증가함에도 전류가 감소하는 Negative Differential Resistance(NDR) 영역을 가짐을 확인하였다. 이러한 특성을 가지는 유기 메모리의 전기적 특성평가를 I-V 특성 곡선, retention time의 측정, 그리고 실제 메모리에 적용되는지를 확인하기 위한 pulse측정을 통해 분석하였다. 그리고 정확한 전도 mechanism 규명을 위해 물리적, 화학적 구조 분석을 하였다. XPS와 AES통한 화학적 분석을 하였고, FE-TEM과 HVEM을 이용하여 나노결정입자의 정확한 결정구조 분석을 시도하였다.; It has been reported that organic bi-stable devices (OBDs) fabricated with a structure of top metal layer/conductive organic layer/middle metal layer/conductive organic layer/bottom metal layer exhibit the electrical characteristics of non-volatile memory. The conductive organic materials are 2-amino-4, 5-imidazoledicarbonitrile (AIDCN) and aluminum tris (8-hydroxyquinoline) (Alq₃), which have been utilized for electron transfer layers in organic emitting diodes. To confirm the effect of material characteristic, we used N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’biphenyl4-4’’ diamine (α-NPD) which used for hole transfer layer in organic emitting diodes. To form more uniform Al nano-crystals, we used O₂ plasma oxidation process. Then, we examined the dependency of thickness and evaporation rate to form Al nano-crystals. We developed a new organic non-volatile memory fabricated with the device structure of Al/α-NPD/Al nano-crystals surrounded by amorphous Al₂O₃/α-NPD/Al. I-V characteristics of bistable switching device obtained by sweeping the voltage from 0 to 10V. The voltage sweeping from 0 to 10V demonstrates the threshold (V_(th)), program (V_(p)), and erase (V_(e)) voltage of about 2.8, 5.3, and 6.4V, respectively and the conduction current bi-stability is >1x10². The voltage between V_(p) and V_(e) is a region of negative differential resistance (NDR). Also more than 100times of program and erase is achieved. Finally, in our study, we investigated the electrical, structural, chemical nature of the Al/α-NPD/Al nano-crystals surrounded by amorphous Al₂O₃/α-NPD/Al device structure. In addition, the bistable resistance switching mechanism by the device acts as a non-volatile memory will be reviewed in detail.