Self-rectifying resistive switching memory using two-dimensional electron gas at Al2O3/ZnO heterostructure

Abstract

AI, wearable device, 자율주행 및 IoT의 시대에 들어서면서 처리해야 하는 양의 데이터는 해마다 증가해가고 있다. 현재의 컴퓨팅 방식은 저장장치와 연산장치가 분리되어진 폰 노이만 구조이며, 구조적 원인으로부터 발생하는 병목현상으로 한계에 다다르고 있다. 이를 위한 고효율의 데이터 처리 방식을 가지는 새로운 컴퓨팅 구조들이 각광받고 있다. 이에 따라 ReRAM과 같은 차세대 메모리 소자에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. ReRAM은 2단자의 간단한 구조로 크로스바 어레이 구조를 통한 반도체의 고 집적화가 가능하다. 하지만, 크로스바 어레이 구조에서는 누설전류로 인한 동작간 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 이를 방지하는 방법은 선택소자를 추가하여 1S-1R 구조를 채택하는 것과 본 연구에서 다루는 자가 정류 특성을 가지는 ReRAM 소자를 통한 단일 구조의 소자를 사용하는 방법이 있다. 본 연구에서는, 2DEG을 채널로 이용하는 FET에서 확인된 2DEG의 전압 인가 방향에 따른 on/off 스위칭 특성을 이용하여 자가 정류 특성을 가지는 ReRAM의 동작 특성을 기대하였다. 자가 정류의 특성을 발현하고자 상부 전극의 변경을 통해 정류 특성을 가지며 저항 변화 기반의 스위칭 동작을 개선하였다. 이후 스위칭 층인 HfO2의 두께 최적화 진행 시, interface-type 동작이 가능함과 HfO¬2의 두께가 증가함에 따라 동작의 on/off 비율이 높아지는 개선점을 확인하였다. 또한, interface-type 소자의 단점인 낮은 retention 특성을 reservoir 층의 삽입을 통해 상온에서 1시간 이상의 개선된 retention 특성을 확보하였다. 앞선 결과들을 통해 최적화된 구조를 도출해내었으며, 최적화된 구조에서의 기본적인 소자 동작 특성 평가를 통해 2DEG을 전극으로 사용한 자가 정류 특성을 가지는 저항 변화 기반의 메모리 소자를 구현해 내었다. |With the advent of AI, wearable devices, autonomous driving, and IoT, the amount of data to be processed is increasing every year. The current computing architecture, known as the von-Neumann architecture, separates storage and computation units, leading to bottlenecks and limitations. As a result, there is growing interest in new computing architectures that offer high-efficiency data processing methods. Consequently, research on next-generation memory devices like ReRAM is also actively pursued. ReRAM, with its simple two-terminal structure and crossbar array design, enables high integration in semiconductor devices. However, the crossbar array structure poses challenges in terms of operational errors due to leakage currents. To address this, two approaches are commonly adopted: employing a 1S-1R structure with additional selector devices or using a single-structure component with self-rectifying characteristics, as explored in this study.

In this research, the self-rectifying behavior of ReRAM was anticipated by leveraging the on/off switching characteristics of the 2DEG observed in FETs, where the direction of voltage application determines the conductivity. To manifest self-rectification, modifications in the top electrode were made to improve the resistance-based switching behavior. Optimal thickness of the switching layer, HfO2, was determined, showing an improved on/off ratio as the thickness increased, indicative of interface-type behavior. Furthermore, the drawback of low retention in interface-type devices was addressed by introducing a reservoir layer, resulting in enhanced retention properties of over one hour at room temperature. Through these results, an optimized structure was derived, and a memory device based on resistance-based switching with self-rectifying characteristics using 2DEG as the electrode was implemented.