In this thesis, the novel memory device, fully transparent memory, was first studied for the transparent electronics. This device is based on the conventional resistive random access memory (RRAM) device, which exhibits nonvolatile resistive switching characteristics. When a transition metal oxide (TMO), which is one of the resistive switching materials used in RRAM, and transparent materials such as substrate and electrode in transparent electronics are combined, completely transparent and nonvolatile resistive switching memory device could be successfully achieved. This thesis is focused on the fabrication and evaluation of this device.
To embody the real transparent device, we fabricated a transparent resistive random access memory (TRRAM) device based on an ITO/ZnO/ITO capacitor structure. As a result, the TRRAM device exhibited excellent transparency (~ 81 %) in visible region, low switching voltage (< 3 V), and good reliability (> $10^5$ retention time, > $10^2$ cycles). Additionally, we found that the conduction is dominated by Ohmic behavior in the LRS and Pool-Frenkel emission in the HRS, respectively.
To expand this area of study into flexible electronics, the plastic film, polyethersulfone (PES), was adopted as a flexible substrate of the transparent memory. We prepared a transparent and flexible resistive random access memory (TFRRAM) device on a PES at room temperature. To avoid the delaminating phenomena of ITO/PES film occurred at successive bending tests of the TFRRAM device, a special ITO/Ag/ITO multi-layered structure was employed as a bottom electrode. This multi-layered electrode played important roles as highly transparent electrode as well as mechanically ductile layer. Therefore, the TFRRAM device showed not only high transparency (~ 80 %) in visible region, but also superior flexibility performance due to the ITO/Ag/ITO multi-layered electrode. Excellent nonvolatile resistive switching characteristics and reliable data retention properties (> $10^5$ s) were also verified at room temperature and under thermal stress (at 85℃). Moreover, the device showed high mechanical flexibility in a repetitive bending test (> $10^4$ times).
Finally, a semi-transparent cross-bar array ZnO RRAM device was verified for the high density of the transparent memory. Since the cross-bar array device has inherent disadvantages such as read interference or disturbance due to the ‘sneak current path’, we employed the two kinds of metal oxide based diodes to eliminate it. These metal oxide n-ZnO/p-NiO and n-ZnO/p-$WO_3$ diodes exhibited the good current rectifying behavior ($10^2$~$10^5$) in reverse bias region and high forward current density (~$10^3$ A/$cm^2$). By stacking these diodes into cross-bar array ZnO RRAM device, we observed that there is no read disturbance or interference in reading the information of selected memory cell by suppressing the sneak current in the reverse bias region. Therefore, the results of this study provide one of solution for large scale cross-bar array RRAM device application.
Consequently, the new transparent memory devices were successfully developed and evaluated for the first time and it is expected that they can be a milestone to open the new electronic paradigm for the transparent electronics in the near future.
2002년, 스티븐 스필버그(Steven Spielberg) 감독의 ‘마이너리티 리포트(Minority Report)’라는 영화가 개봉되면서 세간에 많은 화제를 일으켰다. 2054년 미래 사회의 이야기를 담고 있는 이 Sci-Fi 영화에는 미래의 다양한 첨단 전자 시스템이 등장하여 보는 사람들로 하여금 많은 볼거리를 제공하였다. 양자 컴퓨팅(quantum computing)을 기반으로 하는 시스템 온 글래스(system on glass, SoG), 투명 디스플레이와 결합된 촉각 시스템(haptic system), 전자 종이(e-paper), 그리고 지능형 교통망 시스템(intelligent transport system) 등 미래 사회에서 우리 생활과 밀접할 것으로 예상되는 다양한 전자 시스템이 등장하였다. 그 중에서 특히 우리의 눈을 뗄 수 없게 만든 것 중 하나가 바로 투명 전자 소자(transparent electronics)이다. 주인공이 범죄자를 찾기 위한 영상을 표시 및 처리하는 투명 디스플레이, 그리고 저장된 영상을 보거나 또는 저장하는 투명 메모리 등이 영화에 등장하는 대표적인 투명 전자 소자이다. 이처럼 미래 사회에서는 이런 투명 전자 소자가 보편화 될 것으로 예상되며 이를 위해 현재 많은 분야에서 연구 및 개발이 진행되고 있으며 주로 연구되고 있는 투명 전자 소자는 투명 디스플레이, 투명 집적회로(integrated circuit), 투명 RFID, 그리고 투명 OLED등이 있다. 이런 투명 전자 소자들은 모두 투명한 특성을 이용하여 현재의 실리콘 기반의 전자 소자가 가지는 공간적/시각적 제약을 해소함을 목적으로 하고 있으며 보통 투명 반도체(산화물), 투명 절연체, 그리고 투명 전도체 등을 이용하여 구현하고 있다. 이처럼 다양한 분야에서 투명 전자 소자가 연구되고 있지만 불행히도 투명 메모리에 대한 연구는 실리콘(silicon) 기반의 물질적/기술적 한계로 인하여 전혀 이루어지지 않고 있다. 그러나 투명 메모리의 실현 가능성은 미래에 플래쉬(FLASH) 메모리를 대체할 것으로 예상되는 차세대 비휘발성 메모리 중 하나인 저항 변화 메모리(RRAM)에서 찾을 수 있었다. 즉, 저항 변화 메모리에 사용되는 저항 변화 물질은 일반적으로 큰 광학적 밴드갭(optical bandgap)을 갖기 때문에 이런 물질과 투명 전자 소자에 사용되는 물질, 예를 들면 투명 기판이나 투명 전극 등의 물질이 결합되면 투명하면서도 비휘발성 특성을 갖는 새로운 메모리 소자를 만들 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 저항 변화 물질 중에서 구조적으로 간단하고 쉽게 만들 수 있으며 광학적 밴드갭이 큰 전이 금속 산화물(transition metal oxide)을 선택하였으며, 이 전이 금속 산화물 중 산화 아연(ZnO)을 이용하여 투명한 저항 변화 메모리 (transparent resistive random access memory) 소자를 제작하여 그 특성을 평가하였다.
산화 아연과 투명 유리 기판, 그리고 투명 전극인 ITO (indium tin oxide)를 적층하여 ITO/ZnO/ITO 구조의 투명한 저항 변화 메모리 소자를 세계 최초로 구현하였다. 그 결과, 가시광 영역에서 높은 광학적 빛 투과도(> 80 %), 낮은 스위칭 전압(< 3 V), 그리고 우수한 소자의 신뢰성(> $10^5$ sec for retention, > $10^2$ cycling)을 확인할 수 있었다. 또한 저항이 낮은 상태(LRS)와 높은 상태(HRS)에서의 전도성 메커니즘(conducting mechanism)을 규명할 수 있었다.
다음으로 투명 메모리의 연구 영역을 보다 진전시키기 위하여 플렉서블 소자(flexible device)에 응용하여 연구하였다. 투명하면서도 유연한 메모리 소자를 만들기 위하여 유리 대신 투명하면서도 유연한 플라스틱 기판과 동일한 투명 전극 ITO를 사용하여 투명하면서도 유연한 저항 변화 메모리 소자를 제작하였다. 그 결과 연속적인 유연성 테스트를 하는 동안 하부 전극 ITO 및 산화 아연의 표면에 갈라짐(crack)이 발생하여 메모리 소자의 저항이 점진적으로 증가하게 되어 소자의 특성이 저하되는 현상을 볼 수 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 새로운 투명 전극인 다층막 전극(multi-layered electrode)인 ITO/Ag/ITO를 하부 전극으로 사용하였다. 그 결과, 우수한 기계적 유연성(> $10^4$번)뿐 아니라 높은 빛 투과도(~80 %), 낮은 스위칭 전압(< 1.5 V)을 확인할 수 있었다. 이를 통해 투명한 메모리가 플렉서블 소자에도 성공적으로 응용될 수 있음을 볼 수 있었다.
다음으로 제작된 투명 메모리의 집적도(density)를 향상시키기 위하여 크로스-바(cross-bar) 구조의 반 투명한(semi-transparent or see-through) 저항 변화 메모리 소자를 제작하였다. 그 결과 좋은 스위칭 특성을 얻을 수 있었지만 크로스-바 구조의 본질적인 문제점인 누설 전류(sneak current)로 인한 간섭(interference) 현상을 피할 수 없었다. 이는 크로스-바 구조에서 하나의 선택된 메모리 셀(cell)에 저장된 정보를 읽을 때 주변의 메모리 셀의 상태(state)에 따라 선택된 메모리 셀의 정보가 달라지는 현상이다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 마이너스 전압 영역에서의 전류를 막아 누설 전류 효과를 제거하기 위해 다이오드(diode) 구조를 도입하였다. 많은 다이오드 소자 중 본 연구에서는 금속 산화물(metal oxide)를 이용한 n-형 산화 아연과 p-형 산화 니켈(NiO), 그리고 n-형 산화 아연과 p-형 산화 텅스텐(WO3)을 사용하였으며 이 구조의 다이오드들은 플러스 전압에서의 높은 전류 밀도(current density, ~$10^3$ A/$cm^2$)와 우수한 전류 제한 비(rectifying ratio, $10^2$~$10^5$)를 나타내어 크로스-바 구조의 저항 변화 메모리 소자에 적용하였다. 그 결과, 다이오드가 적층된 반 투명한 크로스-바 저항 변화 메모리 소자는 누설 전류가 없고 안정적인 스위칭 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 봐와 같이, 제작된 투명 저항변화 메모리 소자는 앞으로 등장할 투명 전자 시대에 있어 새로운 이정표(milestone)가 될 것이라 예상하며 다른 투명한 전자 소자와 쉽게 집적화하여 투명 전자 소자의 새로운 패러다임(paradigm)을 제시할 것으로 기대된다.
