졸-겔 공정을 이용하여 제작한 실리콘 산화물과 이트륨 산화물 이중층 기반 멤리스터의 시냅스 특성

Abstract

4차 산업혁명의 핵심에 빅 데이터, 인공지능, 사물 인터넷, 무인 자동차, 나노 기술 등의 신기술이 등장하면서 많은 양의 데이터 저장과 처리를 요구하고 있다. 이러한 데이터를 저장하기 위한 저장매체인 DRAM (Dynamic Random Access Memory), NAND Flash Memory 등의 반도체 수요는 증가하고 있으며, 반도체 산업은 지속해서 성장하고 있다. 하지만 4차 산업혁명의 시대에 급격히 증가하는 대규모 데이터를 분석하고 처리하기 위해서는 빠른 처리속도, 낮은 전력을 요구하는 차세대 반도체 소자가 필요하며, 이에 차세대 반도체에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 차세대 반도체의 종류에는 MRAM (Magnetic RAM), STT-MRAM (Spin Transfer Torque Magnetic RAM), PRAM (Phase change RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM), PoRAM (Polymer RAM), ReRAM (Resistance RAM) 등이 있다. 본 연구에서는 기존의 컴퓨터 구조인 폰 노이만 (Von Neumann) 구조에서 발생하는 병목현상을 해결하기 위한 방안으로 ReRAM을 이용한 뉴로모픽 (Neuromorphic) 소자를 제시하고 있다. 이 연구에서는 SiO2 (Silicon Oxide)와 Y2O3 (Yttrium Oxide)를 Sol-Gel 공정을 이용하여 만들고, Y2O3/SiO2 이중층 구조로 가지는 전자 시냅스 소자를 제작하였다. 시냅스 소자의 구조는 상부전극에 Al을 Thermal evaporator를 사용하여 증착하고, 하부전극에는 ITO (Indium Tin Oxide)를 사용하여, Al/Y2O3/SiO2/ITO의 구조로 제작하였다. 제작된 소자는 약 104 정도의 On/Off ratio를 가지며, 소자 신뢰성을 확인하기 위한 Retention 측정에서 104초 정도를 보였다. 그리고 제작된 소자의 시냅스 특성을 확인하기 위해 소자의 Retention 데이터를 통해서 LTP (Long Term Potentiation)과 LTD (Long Term Depression) 특성을 보였다. 또한 실제 생물학적 시냅스에서 발생하는 EPSP (Excitatory Post-Synaptic Potential)와 IPSP (Inhibitory Post-Synaptic Potential)를 제작한 소자에서 측정하였다. 결과적으로 제작된 소자에서 실제 시냅스의 특성을 구현하였고, 새로운 차세대 메모리로서 기존의 메모리를 개선한다는 면에서 의미가 있다.| Memristor has been a promising candidate for the neuromorphic computing system as a representative next-generation memory device due to low power consumption, faster operation speed, low cost fabrication, and a metal-insulator-metal simple structure. Yttrium oxide (Y2O3) is a thermally stable inorganic compounds and bixbyite structure with a high-k and high dielectric constant, which improves memory operating characteristics by reducing leakage current and increasing capacitance. Y2O3/SiO2 nanoparticles are produced by the potential hydrogen to reduce energy consumption and programming of the synaptic devices.

In this work, we demonstrated the synaptic behaviors of the memristor based on bixbyite structure consisting of Y2O3 and SiO2 nanoparticles formed by the sol-gel process. The current-voltage hysteres is loops of the memristors in different layer conditions were precisely analyzed to determine the electrical phenomena occurring in each layer. The biological synaptic behaviors of the memristors such as long term potentiation (LTP), long term depression (LTD), and the excitatory postsynaptic current (EPSC) were implemented.

The devices exhibited the synaptic behaviors of the LTP and the LTD when the devices applied continuous forward (2 V) and reverse (-2 V) programed pulses for 100 times independently.