Electrode-Controlled Ion Migration for Stable PVP-Based ReRAM: A Comparative Study of Mg, Ag, and Mg:Ag Electrodes = 안정적인 PVP 기반 ReRAM을 위한 전극 제어 이온 이동: Mg, Ag 및 Mg:Ag 전극의 비교 연구

국문 초록 (Abstract)

저항성 랜덤 액세스 메모리（Resistive Random-Access Memory, ReRAM）는 단순한 구조, 낮은 전력 소모, 빠른 스위칭 속도 및 우수한 집적 가능성으로 인해 차세대 비휘발성 메모리 기술로 주목받고 있다. 다양한 ReRAM 시스템 중에서도 고분자 기반 전기화학적 금속화（Electrochemical Metallization, ECM） 메모리 소자는 저비용 제조 공정, 용액 공정 가능성 및 기계적 유연성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 그러나 불안정한 이온 이동, 비제어적 전도성 필라멘트 성장 및 낮은 스위칭 신뢰성은 실제 응용에 있어 주요한 한계로 작용한다. 본 연구에서는 Mg:Ag 합금 활성 전극을 도입한 전극 공학（electrode engineering）을 통해 Polyvinylpyrrolidone（PVP） 기반 ECM 메모리 소자의 스위칭 안정성을 향상시키고자 하였다. Mg/PVP/Au, Ag/PVP/Au 및 최적화된 Mg:Ag/PVP/Au 소자를 제작하고 비교 분석하였다. 최적화된 Mg:Ag/PVP/Au 소자는 순수 Mg 및 Ag 전극 기반 소자와 비교하여 낮은 동작 전압과 향상된 스위칭 균일성을 갖는 안정적인 양극성 저항 스위칭 특성을 나타냈다. 또한 합금 기반 소자는 210회 이상의 내구성（endurance）, 2.5 × 10³ s 이상의 데이터 유지 특성（retention stability）, 그리고 약 10⁷ 수준의 높은 ON/OFF 전류 비를 포함한 우수한 메모리 성능을 나타냈다. 전기적 분석 결과, 스위칭 거동은 전기화학적 금속화（ECM） 메커니즘과 트랩 제어 공간전하 제한 전도（trap-controlled space-charge-limited conduction, SCLC）에 의해 지배되는 것으로 확인되었다. Ag는 주요 필라멘트 형성 종（species）으로 작용하는 반면, Mg가 풍부한 매트릭스는 과도한 Ag⁺ 이온 확산을 억제하고 전도성 필라멘트의 성장 및 소멸 과정을 조절함으로써 향상된 스위칭 안정성과 재현성을 제공하였다. 또한 compliance current 및 RESET 조건 제어를 통해 조절 가능한 다중 저항 상태（multilevel resistance states）를 구현하였으며, 이는 멀티비트 저장 90 응용 가능성을 보여준다. 더불어 최적화된 소자는 수용성 PVP 스위칭 층의 특성으로 인해 부분적인 일시적（transient） 거동을 나타내어 transient memory 응용 가능성 또한 확인하였다. 종합적으로, 본 연구는 Mg:Ag 합금 전극 공학이 고분자 기반 메모리 소자에서 전도성 필라멘트 제어 및 스위칭 신뢰성을 향상시키는 효과적인 전략임을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Resistive Random-Access Memory （ReRAM） is considered a promising next- generation non-volatile memory technology due to its simple structure, low power consumption, fast switching speed, and scalability. Among various ReRAM systems, polymer-based electrochemical metallization （ECM） memory devices have attracted attention because of their low-cost fabrication, solution processability, and mechanical flexibility. However, their practical application is limited by unstable ion migration, uncontrolled conductive filament growth, and poor switching reliability. In this study, electrode engineering was employed to improve switching stability in Polyvinylpyrrolidone （PVP）-based ECM memory devices through the introduction of a Mg:Ag alloy active electrode. Mg/PVP/Au, Ag/PVP/Au, and optimized Mg:Ag/PVP/Au devices were fabricated and comparatively analysed. The optimized Mg:Ag/PVP/Au device exhibited stable bipolar resistive switching with lower operating voltage and improved switching uniformity compared with pure Mg and Ag devices. The alloy-based device demonstrated enhanced memory performance, including endurance exceeding 210 cycles, retention stability over 2.5 × 10³ s, and a high ON/OFF current ratio of approximately 10⁷. Electrical analysis revealed that the switching behaviour is governed by electrochemical metallization （ECM） combined with trap-controlled space-charge-limited conduction （SCLC）. Ag acts as the primary filament-forming species, while the Mg-rich matrix suppresses excessive Ag⁺ diffusion and regulates conductive filament evolution, resulting in improved switching stability and reproducibility. controllable multilevel resistance states were achieved through modulation of compliance current and RESET conditions, demonstrating the potential for multi-bit storage applications. The optimized device also exhibited partially transient behaviour due to the water-soluble nature of the PVP switching layer, highlighting its feasibility for transient memory applications. Overall, this work demonstrates that Mg:Ag alloy electrode engineering is an effective strategy for improving conductive filament control and switching reliability in polymer- based memory devices.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Overview 1
• 1.2. Next Generation Memory Devices 4
• 1.3. Motivation 7
• 1.4. Objectives of the Study 9
• 2. Theoretical Background of Resistive Random Access Memory (RRAM) 11
• 2.1. Device Structure 11
• 2.2. Basic Operation 13
• 2.3. Switching Mechanisms. 15
• 2.4. Conduction Mechanisms 18
• 2.5. Literature Survey on Polymer-Based RRAM 20
• 2.6. Material Characteristics 24
• 2.6.1. X-Ray Diffraction (XRD): Principles and Application 26
• 2.6.2. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 29
• 2.6.3. Electron Microscopy Techniques 31
• 2.6.4. Spectroscopic Ellipsometry (SE) 41
• 2.6.5. Electrical Characterization 42
• 3. Experimental Analysis of PVP-Based ReRAM Devices with Mg, Ag, and Mg:Ag Electrodes for Enhanced Switching Stability through Controlled Ion Migration 44
• 3.1. Fabrication process 44
• 3.1.1. Synthesis and Preparation of PVP Solution 44
• 3.1.2. Fabrication of RRAM device 45
• 4. Results and Discussion 49
• 4.1. Introduction 49
• 4.1. Material Characterization 50
• 4.2. Electroforming and Bipolar Resistive Switching 62
• 4.3. Cyclic Bipolar Switching and Compliance Current-Dependent Behavior 65
• 4.4. Endurance and Data Retention Performance 67
• 4.5. Statistical Distribution of Switching Parameters 70
• 4.6. Proposed Resistive Switching Mechanism 71
• 4.7. Multilevel Storage Capability 78
• 4.8. Transient Behavior and Time-Dependent Dissolution Analysis of PVP-Based Memory Device 81
• 5. Conclusion and Future Work. 86
• 5.1. Conclusion 86
• 5.2. Future Work 87