Resistive memories based on metal oxide thin films have been extensively studied for application as next-generation nonvolatile memory devices. Graphene oxide(G-O) solution was prepared by a modified Hummers method. 5×5 cross-bar type electrode was deposited using thermal evaporator, and thickness of electrode was about 55 nm. A trilaer metal/G-O/Al device of cross-point structure was made on SiO2 wafer with uniform G-O film prepared by spin-coating. Chemical properties of graphene oxide thin film were characterized by Raman and IR spectra. Top electrodes had a different free energy of formation of oxide, so the formation of the interface layer was confirmed by high resolution electron microscopy(HRTEM). Al/G-O/Al device exhibited a typical BRS(bipolar resistive switching) with set/reset voltage of ~-2.6 V/+2.2 V and a high on/off ratio of >103. Both on and off states were stable for more than 105 s. No degradation of memory performance was observed ~100 cycles. The critical role of the top interface layer was confirmed by replacing the top electrode with Ni, Ag, and Au, where the switching performance was failed after some sweep cycles. Oxygen ion movement in the active layer was generally accepted as a primary mechanism. In order to compare the oxygen ion movement between the electorode and the interface lyer, electron energy-loss spectrometers(EELS) profile was analyzed.
저항변화 메모리는 기존의 DRAM(dynamic random sccess memory), Flash, SRAM(static random access memory) 등의 단점을 보완하고, 비휘발성, 빠른 동작속도, 저 전력구동, 고집적도, 낮은 생산비용의 장점을 가지는 차세대 비휘발성 메모리 중의 하나이다. 금속/저항층/금속의 매우 간단한 구조를 가지기 때문에 고집적이 가능하고, 공정이 매우 간단하다. 전이금속, 고분자, 복합체 등 저항층의 후보로 많은 물질이 연구되고 있으며, 고분해능 투과전자현미경을 통해 일부 물질의 매커니즘이 규명되고 있다. 본 연구에서는 저항층으로 그래핀 산화물을 사용하였으며, 그래핀 산화물은 두께와 합성방법, 그리고 사용되는 금속 전극에 따라 동작특성이 다르게 보고되고 있다. 따라서 spi-coating 방법을 통해 균일한 두께의 그래핀 산화물 박막을 형성하고, 다양한 금속 전극을 이용하여 그래핀 산화물의 명확한 매커니즘을 규명하는 연구를 진행하였다. Spin-coating을 통해 형성된 그래핀 산화물 박막의 두께는 투과전자현미경을 통해 관찰한 결과, 약 3 nm의 두께를 갖으며, thermal evporator를 이용해 증착한 금속 전극의 두께는 약 55 nm이다. 하부 전극으로는 모두 Al을 사용하였고, 상부 전극으로 Al, Ni, Ag, 그리고 Au를 사용하여 그 차이를 확인하였다. Al을 상부 전극으로 사용한 소자는 매우 우수한 전기적 특성을 나타냈으며, 상부 전극과 그래핀 산화물층과의 반응을 통해 계면층이 형성된는 것을 확인하였다. 이 상부계면층은 전압에 따른 산소 이온의 이동에 중요한 영향을 미친다는 것을 EELS 분석을 통해 규명하였다. 따라서 상부 전극이 Al인 경우, 상부계면층이 형성되어 가해지는 전압에 따라 산소 이온이 상부계면층과 그래핀 산화물층 사이를 이동하며 저항이 변하는 원리로 소자가 동작한다. 상부 전극으로 Ni,Ag, 그리고 Au를 사용한 소자의 경우에는 불안정한 전기적 특성을 보였으며, 고분해능 투과전자현미경을 이용해 분석해본 결과, 매우 큰 전압이 가해지면 산소 이온의 상부 전극으로의 확산이나 그래핀 산화물 층으로의 확산에 의해 안정적인 동작을 하지 못한다는 것을 확인하였다. Al을 상부 전극으로 사용한 소자의 경우, 매우 우수한 전기적 특성을 보이지만 보다 빠른 동작속도가 요구되고, 상부계면층을 형성하지 않는 Ni, Ag, 그리고 Au 전극은 안정적인 동작을 위한 방안을 찾아야 한다. 또한 보다 명확한 매커니즘을 규명하기 위해서는 그래핀 산화물층의 두께를 변화시켜가며 저항층과 계면층의 변화를 고분해능 투과전자현미경을 통해 관찰해야 한다.
