Pt/Ti/TiOx/Al2O3/Pt/Ti 멤리스터 소자의 I-V 특성 구현을 위한 통합 모델

Abstract

시대의 요구에 따라 데이터 저장량이 비약적으로 증가하였고 필연적으로 데이터를 저장하기 위한 메모리 반도체 분야가 성장하게 되었다. 따라서 향상된 메모리 저장을 가지는 것은 물론 집적도가 높고 저전력으로 구동할 수 있는 장점을 가진 새로운 비휘발성 메모리 반도체를 발전시키기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중에서도 멤리스터 소자를 단위소자로 하는 저항변화 메모리는 간단한 구조를 가지고 있으면서도 집적도가 높고 저전력의 빠른 속도로 메모리 저장 동작이 이루어지는 등의 장점을 가지고 있어 차세대 비휘발성 메모리 소자로써 주목받고 있다. 멤리스터 소자의 전류 특성을 분석하기 위해 여러 모델이 설계되었고 대부분의 모델은 멤리스터 소자 고유의 급격한 저항변화 현상인 스위칭 동작을 중심으로 전류 특성을 예측하는 방식을 취하고 있다. 그러나 뉴로모픽 공학 분야가 발전하면서 시냅스를 모방한 인공 시냅스 소자를 제작하는 연구에서도 멤리스터 소자를 활용하는 방법이 연구되었다. 인공 시냅스 소자는 실제 시냅스의 신호 전달강도를 표현하기 위해 연속적으로 변하는 전류 특성을 가진다. 따라서 멤리스터 소자의 전류 특성 중 스위칭 동작 외에도 점진적으로 변하는 연속적인 저항변화 현상에 대해서도 분석이 가능한 모델을 설계하는 것이 중요한 과제가 되었다. 본 연구에서는 급격한 저항변화와 연속적인 저항변화 현상을 하나의 모델로 시뮬레이션이 가능하도록 한 I-V 통합 모델을 제시하였다. 또한 산화물 기반 멤리스터 소자가 가지는 전류의 비선형적 증감 특성을 잘 모델링할 수 있도록 산화물 기반 저항변화 메커니즘을 분석한 후 모델에 반영하여 성능을 높였다. I-V 통합 모델을 이용하여 차세대 메모리 분야와 뉴로모픽 공학 분야의 연구에서 필요한 각 전류 특성을 모델링하고 분석할 수 있다.;Technologies for the next-generation memory device are actively researched as the fourth industrial revolution emerges. RRAM (Resistive Random Access Memory) and memristor devices are highlighted as strong candidates for a future memory device with their numerous advantages such as a simple structure with high stack potential, high speed, and low power operation. Several models are designed to analyze and depict the electrical characteristics of the memristor device, and most of them focus on designing their switching operation which includes the abrupt resistance change phenomenon. However, the rise of the neuromorphic system has created a new possibility for the application of memristors as an artificial synaptic device. The artificial synaptic device depicts an electrical characteristic with continual resistance change to express the signal transmission of the synapse. Therefore, it has become an important task to design a device model that can analyze the gradual change in resistance in addition to the switching behavior among the electrical characteristics of the memristor device. In this study, a unified I-V model was designed to analyze the electrical characteristics of memristor devices. The unified I-V model represents both abrupt and gradual resistance change in a simple model. Moreover, the performance of the model was improved by reflecting the oxide-based resistance change mechanism into the model so that the nonlinear electrical characteristics of the oxide-based memristor device can be depicted. The unified I-V model is expected to contribute to analyzing electrical characteristics in various fields using memristors for memory devices and neuromorphic device applications.