RF 스퍼터로 성장된 산화 갈륨 저항성 스위칭 메모리 기반의 광전자 시냅스 특성에 대한 연구 = A study on gallium oxide resistive switching memory-based optoelectronic synaptic devices growing by RF sputter

국문 초록 (Abstract)

저항성 스위칭 소자는 저전력 소비, 빠른 속도, 높은 밀도 등의 다양한 이점을 가지는 비휘발성 메모리 기술로, 신경계통 모사, 인공지능, 임베디드 시스템 등의 다양한 분야에서 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 기존의 전기 입력 자극은 대역폭 및 전력 손실 측면에서 한계가 있어 대역폭이 넓고 전력 소모가 적은 광을 활용하는 광전자 시냅스 소자에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 소자는 광 자극을 통합하여 사람의 눈과 같은 생물학적 기능을 할 수 있어 이미지 인식 기술에 최적화되어 있다. 이러한 기술의 발전은 웨어러블 디바이스 및 차세대 센서를 포함한 미래 산업에 중요할 것으로 예상된다. 이러한 광전자 시냅스 기술에는 다양한 재료가 사용되는데, 산화물 반도체(Oxide semiconductor), 페로브스카이트(Perovskite), 저차원 물질(2D material) 중에서도 산화물 중에 하나인 Ga2O3는 뛰어난 광학 및 전기적 특성으로 인해 우수한 저항성 스위칭 성능을 발휘하는 물질로써 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 우수한 열적 및 화학적 안정성으로 인해 메모리 분야에서 성능 저하를 완화시킬 수 있다고 보고되고 있다. 또한, 낮은 캐리어 이동도를 가져 비정질 구조에서도 높은 고유의 저항 상태를 가지며, 산소 농도에 매우 민감하기 때문에 후처리 공정 없이 제조 공정에서 산소 함량을 제어함으로써 Ga2O3 기반 저항성 메모리의 성능을 최적화할 수 있어 메모리 분야에서 큰 관심을 받고 있는 물질이다. 최근의 연구들은 광 검출기, 트랜지스터, 멤리스터 구조를 포함한 다양한 Ga2O3 기반의 시냅스 소자들에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 소자들은 자외선 영역의 빛에서 단기 기억과 장기 기억 사이의 전이를 효과적으로 촉진하여 인간의 뇌와 유사한 학습 및 망각 과정의 시뮬레이션을 가능하게 한다. 더 나아가, 인공 신경망 시뮬레이션을 통해 학습의 정확성을 검증할 수 있다. 더하여 기존에 2진법으로 사용되던 메모리 소자에 광 및 전기적 신호를 더하여 다진법의 소자로 활용할 수 있다. 이러한 소자는 소자의 고집적화, 전력 효율 등에서 미래 반도체 소자의 발전에 기여할 것으로 기대된다. 따라서, 본 연구에서는 RF Sputter 를 이용하여 금속-절연체-금속 구조로 제작된 Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 메모리 특성을 분석하고, 이를 기반으로 Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자를 통한 광전자 시냅스 특성을 분석하였다. 또한, 저항 상태에 따른 광전자 시냅스 특성을 분석하여 주파수, 광 지속시간, 광 인가 횟수, 광 세기에 따른 단기기억에서 장기기억의 특성을 확인하였다. 이를 기반으로 인공신경망 시뮬레이션을 진행하여 90% 이상의 패턴 인식 정확도를 확인하였으며, Ga2O3 의 광반응을 이용하여 4 진법의 다중 논리 상태를 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -ⅴ
• 그림 목차 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -ⅸ
• 국문 요약 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -xi
• 1. 서론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1
• 2. 이론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -3
• 제1장 이론적 배경 및 연구 동향 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
• 1-1. 뉴로모픽 컴퓨팅 (Neuromorphic computing) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
• 1-1-1. 뉴런 및 시냅스 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 3
• 1-1-2. 차세대 메모리의 종류 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -7
• 1-1-3. 저항성 스위칭 소자 (RRAM) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -13
• 1-2. 산화 갈륨(Ga2O3) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - -18
• 1-2-1. Ga2O3 박막 특성- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 18
• 1-2-2. Ga2O3 박막의 응용 및 연구동향 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 21
• 1-3. 다진법 반도체 소자- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 24
• 제2장 실험 방법 및 분석 장비 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26
• 2-1. Ga2O3 박막 성장법 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26
• 2-1-1. 스퍼터링 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26
• 2-2. Ga2O3 박막 기반 소자 특성 분석 장비 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30
• 2-2-1. 광학 현미경 (Optical microscope) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 30
• 2-2-2. 원자힘 현미경 (Atomic force microscopy) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -31
• 2-2-3. 투과 전자 현미경 (Transmission electron microscopy) - - - - - - - - - - - - - 32
• 2-2-4. X선 회절 분석법 (X-ray diffraction) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 33
• 2-2-5. X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy) - - - - - - - - - - - - 34
• 2-2-6. 자외선-가시광선 분광기 (UV-visible spectroscopy)- - - - - - - - - - - - - - - - 35
• 3. 본론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 36
• 3-1. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자 제작 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 36
• 3-1-1. 실험 방법 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -36
• 3-1-2. RF 스퍼터로 성장된 Ga2O3 저항성 스위칭 소자 TEM 분석-- - - - - - - - - - - - - -38
• 3-1-3. RF 스퍼터로 성장된 Ga2O3 박막 구조적 특성 분석 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -39
• 3-1-4. RF 스퍼터로 성장된 Ga2O3 박막 표면 특성 분석 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 40
• 3-1-5. Ga2O3 박막의 광학적 특성 분석 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -41
• 3-2. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자 특성 측정 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -43
• 3-2-1. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 스위칭 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -43
• 3-2-2. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 가변성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 46
• 3-2-3. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 스위칭 메커니즘 분석 - - - - - - - - - - - - - - - -47
• 3-2-4. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 신뢰성 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50
• 3-2-5. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 XPS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 52
• 3-3. Ga2O3 저항성 스위칭 소자의 자외선에 따른 저항성 스위칭 특성 및 광반응성 - - - - - -57
• 3-3-1. Ga2O3 저항성 스위칭 소자의 자외선에 따른 스위칭 거동 - - - - - - - - - - - - - - - - 57
• 3-3-2. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 광반응도 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 59
• 3-3-3. Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 시간에 따른 광반응 - - - - - - - - - - - - - - - - - 63
• 3-4. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 광전자 시냅스 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - 63
• 3-4-1. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 장기 메모리 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - -63
• 3-4-2. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 쌍 펄스 촉진 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 65
• 3-4-3. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 학습-경험 시뮬레이션 - - - - - - - - - - - - - - -67
• 3-4-4. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 시각 기억 시뮬레이션 - - - - - - - - - - - - - - - 69
• 3-5. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 시냅스 특성 분석 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 71
• 3-5-1. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 시냅스 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 71
• 3-5-2. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 인공신경망 시뮬레이션 -- - - - - - - - - - - - - 76
• 3-6. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 다진법 특성 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 79
• 3-6-1. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 다진법 동작 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -79
• 3-6-2. Pt/Ga2O3/Pt 저항성 스위칭 소자의 다진법 시뮬레이션 - - - - - - - - - - - - - - - - -82
• 4. 결론 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -86
• 참고문헌 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -88
• 연구성과 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 97
• Abstract - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 110