산화그래핀:폴리비닐피로리돈 나노복합체에 기반한 플렉서블 저항메모리 소자의 메모리 효과에 대한 연구

Abstract

PVP)를 혼합하여 활성층으로 활용되었으며, 추가로 유연한 특성을 구현하기 위해 활성층과 하부전극의 접착력을 높여주기 위한 고분자(PEDOT:PSS) 물질을 사용하였다. 이를 통하여 충분한 Memory margin을 가지는 전기적 쌍안정 특성과 안정적인 재현성을 구현하였다. 또한 위 특성이 구부러진 상태에서도 안정적으로 유지되는 Flexible 비휘발성 메모리 소자에 대하여 연구하였다. 산화그래핀 (GO):PVP 박막과 PEDOT:PSS 박막은 간단한 스핀코팅 공정을 통하여 제작되었으며, 상부전극으로는 알루미늄 (Al)과 하부전극으로는 ITO로 사용되었다. GO:PVP 활성층은 제작된 소자 내에서 전자의 트랩 및 전도 변화 층으로 활용되고, PEDOT:PSS 층은 하부전극과 활성층 사이의 접착층으로 사용되었다. 이 실험에서는 기존의 산화그래핀 (GO)이 갖는 격자점 결함을 완화시키기 위해 Polymer (PVP) 물질을 활용하였으며, 이를 통해 박막의 품질이 더 높아졌고, 더불어 소자의 메모리 특성이 더 우수해짐을 확인하였다. 또한 구부러진 상태에서도 그 특성이 안정적으로 유지되었다. 최종적으로 Al/GO:PVP/PEDOT:PSS/ITO 구조를 갖는 메모리 소자를 제작하여 소자의 전류-전압 (I-V) 특성과 Retention, Endurance 특성을 측정하였고, 이 결과를 통해 기존의 산화그래핀 기반의 메모리 소자보다 Memory margin이 향상되고, 안정적인 재현성과 유연함을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 측정된 결과를 통해 소자의 동작 메커니즘을 규명했다. 위 소자는 저항의 변화를 활용한 ReRAM 소자로써 차세대 메모리로써의 가능성을 충분히 보여주고 있음에 큰 의미를 가지고 있다.; Organic electronics, including organic solar cells, light-emitting diodes, thin-film transistors, and memories, have been extensively investigated for the realization of practical applications in flexible, electronic and optoelectronic devices [30-32]. Especially, memristive devices fabricated utilizing organic materials have been recognized as excellent candidates for next-generation nonvolatile memory devices due to their advantages of low power consumption, high degree of integration, and high flexibility; 18세기 이후부터 이어진 지속적인 산업기술의 발전으로 오늘날 제 4차 산업혁명시대에 돌입하기에 이르렀다. 제 4차 산업혁명은 정보통신 기술(ICT)의 융합으로 이루어낸 혁명 시대로써, 이의 근간인 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 커넥티드카 등 미래 신산업이 연구, 개발 되고 있다. 이와 직결되어 핵심 부품인 반도체의 수요는 더 급증하게 되었으며, 이제 반도체산업은 전 세계적으로 핵심 산업으로 자리 잡게 되었고, 이에 따라 반도체소자의 응용기술들이 부각되기 시작하였다. 그 중 대표적으로 메모리 반도체가 있으며 사물인터넷(IoT), 빅데이터 시대가 본격적으로 열리면서 저장해야 할 데이터의 양이 엄청나게 증가하게 될 것이다. 이에 따라 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 반도체 소자가 필요한 실정이며, 이를 위한 시스템의 성능 향상은 필수적이고 그 핵심부품인 메모리 소자의 초고속화 및 고집적화가 관건이다. 이러한 고용량 정보 저장에 필요한 고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다도 커지고 있는 실정에서 현재 대표적으로 삼성전자와 SK 하이닉스 등 여러 기업에서 개발되어 상용화되고 있는 DRAM (Dynamic Random Access Memory)과 NAND 플래시 메모리가 있다. DRAM은 발명된 이래 현재에 이르기까지 고집적화 및 대용량화를 위한 소자의 개발은 급속도로 발전하고 있다. 또한 이는 제품에 대한 사회의 요구가 증가함에 따라 더욱 더 가속화되고 있는 실정이다. 그러나, 기술의 발전에 따라 경쟁력을 높이기 위해서는 메모리의 고집적화가 매우 중요한 시점이다. 기존의 DRAM 소자는 1트랜지스터(TR)-1커패시터 구조로 단위 cell을 이루고 있는데, 고집적화를 위해 소자의 크기가 작아짐에 따라 커패시터 공정의 난이도가 점점 올라가게 되어, 높은 수율을 가지는 DRAM 소자를 제작하는 것이 어렵다. 또한 DRAM은 저장된 데이터 보존을 위한 주기적인 리프레쉬(Refresh) 작업이 필요한 휘발성 메모리소자이다. 이런 특성으로 더 많은 전력을 소모하기 때문에 이러한 DRAM이 가지는 단점을 보완하고 비휘발성을 가지는 차세대 메모리의 필요성이 크게 요구되고 있다. 또한 Flash Memory의 Short channel effect의 문제점을 보완하기 위하여 현재 연구 개발되고 있는 차세대 메모리는 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력 그리고, 플래시 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작 등을 모두 구현하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 이와 같은 차세대 메모리로 유력하게 대두대고 있는 소자는 MRAM (Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM (Phase change Random Access Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), ReRAM (Resistive Random Access Memory), NFGM(Nano-Floating Gate Memory) 등이 있다. 이 중에서 Polymer 물질을 활용한 ReRAM은 간단한 구조를 가지고 있기 때문에 간단한 공정과정을 가질 뿐 아니라, 공정상의 결함을 현저히 줄일 수 있어 생산단가가 낮아질 수 있으며, 낮은 전압에서 동작이 가능하여 전력소모를 줄일 수 있고, 특히 높은 유연성을 가짐으로써 차세대 메모리로써 각광 받고 있다. 본 연구에서는 기존의 메모리 소자가 갖는 단점들을 해결하기 위한 차세대 비휘발성 메모리인 저항성 메모리 (ReRAM)을 제시하였다. 산화그래핀(GO)과 고분자(polyvinylpyrrolidone; another advantage is that they can be fabricated using a simple process [33-35]. Memristive devices typically consist of an electrode/active layer/electrode structure, which has two terminal devices without additional gate electrodes [36-38]. Memristive devices fabricated utilizing graphene oxide (GO) have drawn more attention because of their excellent electrical characteristics, high mechanical flexibility, and low cost [39-42]. Because chemically functionalized GO containing lattice defects can reduce the device’s performances and cause fluctuations in the Set/Reset voltages and the stability [43-45], memristive devices based on GO have exhibited ON/OFF current ratios with relatively low values and poor flexibility [46]. Therefore, some studies concerning improvements in the performances, i.e., better stability and larger memory margin, of GO-based memristive devices are necessary if the performances of such devices are to be enhanced. Because GO has hydrophilic properties, when it is exfoliated in a non-hydrophilic solvent, it is not completely dissolved. This behavior might be attributed to the strong interlayer of hydrogen bonds between the oxygen functional groups of the adjacent graphene oxide layers in GO [47, 48]. Since water solubility makes fabrication of a GO thin film easier and an ultrathin GO sheet is beneficial for achieving high density fabrication, GO appears to be an excellent candidate for memristive devices [16]. Polyvinylpyrrolidone (PVP) can act as an anti-fouling modifier to enhance the surface hydrophilic properties so that fouling is prevented; it also has good water solubility and hydrophilicity [17]. PVP can enhance the exfoliation and the dispersion of layered 2D materials like MoS2 in low-boiling-point ethanol solvents [18]. Moreover, the optimized performance of a memristive device can be achieved due to the formation of hydrogen bonds between the GO and the PVP [49]. Almost all the materials in flexible devices should be flexible if stable characteristics are to be obtained. However, the repetitive bending cycles might cause the deterioration of the device performances due to the poor adhesion between the GO:PVP active layer and the bottom electrode [50, 51]. Thus, the introduction of poly(3, 4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) might enhance the adhesion between the active layer and the indium-tin-oxide (ITO) electrode, which has not been investigated yet. In this work, the effect of a PEDOT:PSS layer on the electrical characteristics of flexible memristive devices based on a GO:PVP nanocomposite were investigated. The GO:PVP nanocomposite was used as an active layer for the devices, and the PEDOT:PSS film was used as a modified layer between the active layer and the bottom indium-tin-oxide (ITO) electrode. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) measurements were conducted to investigate the structural properties of the GO:PVP nanocomposite layer. Current-voltage (I-V) measurements were performed to investigate the memory performance of the fabricated devices and the difference between the low and the high resistance states of the devices. Retention and endurance measurements were carried out to investigate the stabilities and the durabilities of the devices under flat and bending conditions. The working principles of the memristive devices are described on the basis of the I-V results and energy band diagrams.