Nanostructures for Local Electric Field Enhancement in Electronic Devices

Abstract

The goal of this dissertation is to investigate effect of nanostructures for local electric field enhancement in electronic devices and to provide experimental and theoretical bases for their practical use. Resistive random access memory (RRAM) is a data storage device that can be modulated its resistance states by external electrical stimuli. The electric field generated by the applied potential difference between the two electrodes acts as the driving force to switch the resistance states, so controlling the electric field within the device can lead to improved operational performance and reliability of the device. Even though considerable progress has been made through significant efforts to control the electric field within the device, selectively enhancing the electric field in the intended position for stable and uniform resistive switching behavior is still challenging. Engineered metal structures in the RRAM can efficiently manipulate the electric field. As the radius of the metal structures decreases, the charge density increases, generating electric field enhancements in confined region. To minimize the radius of the metal structure and thus to greatly increase the electric field in a local area, we introduced a nanoscale metal structure into the RRAM. First, pyramid-structured metal electrode with a sharp tip was used to achieve a tip-enhanced electric field, and the effect of the enhanced electric field on the resistive switching behaviors of the device was investigated. Based on numerical simulation and experimental results, we confirmed that pyramidal electrode with a tip radius of tens of nanometers can selectively enhance the electric field at the tip. The tip-enhanced electric field can facilitate the thermochemical reaction in transition metal oxide-based RRAMs and efficiency of charge injection and transport in organic-based RRAMs, as well as provide position selectivity during formation of conductive filament. The resulting RRAM exhibited reliable resistive switching behavior and highly improved device performance compared with conventional RRAM with planar electrode. As another approach to enhance the electric field within the resistive switching layer, we prepared spherical nanostructures via self-assembled block copolymer (BCP)/metal compound micelles. BCP and metal precursors were dissolved in aqueous media for use as BCP/metal compound micelles. These micelles were used as complementary resistive switch (CRS) layers of the memory device and the mechanism of CRS behavior was investigated. The spherical metal nanostructures can improve the electric fields, promoting a resistive switching mechanism based on electrochemical metallization. The resulting CRS memory exhibited reliable resistive switching behavior with four distinct threshold voltages in both cycle-to-cycle and cell-to-cell tests. Also, the conduction and resistive switching mechanism are experimentally demonstrated through the the analysis of the current–voltage data plot and detemination of the temperature coefficient of resistance. Overall, we pursued efficient engineering of metal nanostructures capable of manipulating electric fields for improving the operational performance and reliability of memory devices. There is no doubt that the commercialized RRAM will become popular in the near future after overcoming all the challenges of RRAM through continuous interest and research. We believe that these results will not only contribute to the significant advancement of all electronic devices, including RRAM, but will also help promote research activities in the electronic device field.

본 논문의 목적은 나노 구조체를 통한 전자 장치 내 국부적 전계 향상 효과를 조사하고, 이의 실제 사용을 위한 실험 및 이론적 기반을 제공하는 것이다. 저항변화메모리 (resistive random access memory) 는 외부 전기 자극에 의해 저항 상태를 변화 시킬 수 있는 데이터 저장 장치이다. 두 전극 사이에 인가된 전위차에 의해 생성된 전기장은 저항 상태를 전환시키는 구동력으로써 작용하므로, 전자 장치 내에서 전기장을 제어하면 장치의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 장치 내에서 전기장을 제어하려는 많은 노력을 통해 상당한 진전이 있었지만, 안정적이고 균일한 저항 변화 거동을 위해 의도된 위치에서 전기장을 선택적으로 향상시키는 일은 아직 도전적 과제이다. 구조화된 금속을 저항변화메모리에 접목시킴으로써 전기장을 효율적으로 조작할 수 있다. 금속 구조체의 반경이 감소함에 따라 전하 밀도가 증가하여 국부적 영역에서 전기장이 향상된다. 이 논문에서는 금속 구조체의 반경을 최소화하여 국부적으로 전기장을 크게 향상시키기 위해 저항변화메모리에 나노스케일의 금속 구조체를 도입하였다. 첫 번째로, 팁 강화 (tip-enhanced) 전기장 효과를 달성하기 위해 날카로운 팁을 가지는 피라미드 금속 구조체를 전극으로 사용하였으며, 강화된 전기장이 소자의 저항 변화 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 유한요소모델링과 실험결과를 바탕으로, 수십 나노 미터의 팁 반경을 가지는 피라미드 구조체 전극이 팁 부근에서 전기장을 국소적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 팁 강화 전기장은 전이 금속 산화물-기반 저항변화메모리에서 열화학 (thermochemical) 반응을 촉진시키고 유기-기반 저항변화메모리에서 전하 주입 (charge injection) 및 수송 (transport) 효율성을 향상시킬 뿐 아니라, 선택적인 위치에서만 전도성 필라멘트 (conductive filament)를 형성시킬 수 있었다. 그 결과 피라미드 구조체 저항변화메모리는 종래의 평판 구조체 저항변화메모리에 비해 안정적인 저항 변화 거동과 향상된 장치 성능을 보여주었다. 저항 변화 층 내의 전기장을 향상시키기 위한 또 다른 접근법으로, 자기조립 (self-assembled)된 블록공중합체 (block copolymer)/금속 복합체 미셀 (micelle)을 이용하여 구형의 나노구조체를 소자의 중간층으로 도입하였다. 블록공중합체 및 금속전구체를 복합체 미셀로 사용하기 위해 선택적 용매에 용해시켰다. 해당 미셀을 메모리 소자의 상보적 저항 변화 (complementary resistive switch) 층으로 사용하였으며, 상보적 저항 변화 거동의 메커니즘을 조사하였다. 구형의 금속 나노구조체는 전기장을 향상시켜 전기화학적 금속화 (electrochemical metallization)에 기반한 저항 변화 메커니즘을 촉진시킬 수 있었다. 그 결과 상보적 저항 변화 메모리는 사이클 및 셀간 반복 시험 모두에서 4개의 임계 전압으로 안정적인 저항 변화 동작을 나타내었다. 또한 전류-전압 자료 플롯 (plot) 분석과 저항의 온도 계수 결정을 통해 장치의 전도 및 저항 변화 메커니즘을 실험적으로 입증하였다. 전반적으로 본 논문에서는 장치 내 전기장을 증폭시킬 수 있는 금속 나노구조체의 효율적인 엔지니어링을 통해 메모리 장치의 성능과 신뢰성 향상을 추구하였다. 지속적인 관심과 연구를 통해 저항변화메모리의 모든 과제를 극복한 후, 상용화된 저항변화메모리가 가까운 미래에 대중화될 것임을 믿어 의심치 않는다. 우리는 이 결과가 저항변화메모리를 포함한 모든 전자 장치의 획기적인 발전에 기여할 뿐만 아니라 전자 장치 분야의 연구 활동을 촉진하는 데에도 도움이 될 것이라고 믿는다.