Organic electronic technology offers promising form factors and some of the functionalities key to future electronics. In particular, organic devices with memory attributes can carry multiple roles at once with their innate functionality. In this work, such possibilities are explored mainly in two cases of organic memory devices based on i) a floating gate flash memory device and ii) a resistive memory device.
As a first example, organic photomemory devices are proposed in a flash-memory-like geometry where an isolated charge storage node or floating gate is replaced with an isolated photo-absorption zone embedded between upper and lower insulator layers without directly interfacing neither with an organic channel semiconductor nor a gate electrode. In order to preserve the integrity of $C_{70}$ as a photo-absorption zone, insulator layers enclosing $C_{70}$ are prepared with polymer dielectric layers deposited by an initiated chemical vapor deposition (iCVD) method. This isolated photo-absorption zone then allows the device to operate in electrically ‘on’ state, in which the high electric-field region can have a maximal spatial overlap with the illuminated area for efficient and facile light-programming. In an effort to understand the mechanism of the proposed organic photomemory device, programming time, quantum efficiencies, and the exposure responses are characterized as photosensors and memory devices. With the proposed approach, a significant threshold voltage shift is achieved even with the exposure time as short as 5 ms, which is readily compatible with modern photography. High quality dielectric layers prepared by iCVD ensure erasing to occur only with electrical signal in a controlled manner. Retention time up to 700s is demonstrated. The endurance up to 50 times of light-programming/ erasing cycles is demonstrated.
As a second case, the functionality integration based on a resistive memory is performed from the perspectives of memory-and-sensor integration. A multi-level resistive memory device is demonstrated for the proposed scheme based on iCVD-grown polymer dielectrics called ‘pV3D3’. A 10 nm-thick $MoO_x$ interlayer between a copper top electrode and pV3D3 is employed to expand the working environmental conditions of the proposed resistive memory devices to those deficient of oxygen sources.
In advance to an integration with sensors, a multi-level set operation of the proposed resistive memory device is demonstrated by limiting compliance current or applying current pulses. The proposed device exhibit six states of resistances by conditioned ‘set’ processes, thus proving the feasibility to exhibit multi-bit data in a single device.
A simple integration to achieve strain sensing in a digitized manner is then performed with a strain sensor based on compression bandages. A logarithmic change of resistance is confirmed in this sensor device thanks to grainy silver-based conducting paths on the rough surface of bandage fabrics. By combining one resistive sensor device and one memory device, the proposed schematic showed strain-sensitive memory characteristics within 4.5 % of strain and about 105 of on/off ratio.
Lastly, a photo-sensing and memorizing devices based on a resistive memory device is proposed by a series connection of a photodiode with the tested resistive memory device. It is confirmed that a photodiode is applicable not only as a light-sensitive part but also as a selector device by exploiting its diode-like nature and by incorporating bipolar resistive memory operation. By fully utilizing operation quadrants of a photodiode, both light-sensitive ‘set’ and electrical ‘reset’ in the dark are demonstrated. As a result, the operation of the proposed schematic as a functional light-sensitive memory pixel that can express six levels of the irradiance is confirmed with a Si photodiode by 4 V and 1 ms of ‘set’ pulses, and the feasibility of this concept is also proved with an organic photodiode which results in 2-bit operation with 6 V of low voltage ‘set’ operation.
유기전자기술은 미래 전자소자를 위한 기능성과 형태적 특성을 제공할 것으로 여겨진다. 특히, 메모리 특성이 포함된 유기 전자소자는 본연의 특성을 살리며 여러 기능성 역할을 동시에 수행할 수 있을것으로 기대된다. 이 연구에서는 이러한 유기 전자 메모리 소자가 가질 수 있는 다기능성 에 대하여 i) 부동 게이트 플래시 메모리 형태의 소자와 ii) 저항성 메모리 소자에 대해 탐구해보았다.
첫 예시로, 전기적, 구조적으로 격리된 전하저장소 혹은 부통게이트를 광 감응 영역으로 치환한 플로팅 플래시 메모리와 유사한 구조를 갖는 유기 광감응 메모리 소자에 대한 연구를 진행하였다. 해당 광감응 영역은 상부 절연막과 하부 절연막에 둘러쌓여 채널을 형성하는 반도체 층이나 게이트 전극으로 부터의 직접적인 영향을 받지 않도록 전기적, 구조적으로 격리되었으며 이러한 광감응 영역으로 사용된 $C_{70}$의 광학적, 전기적 특성을 유지하고자 개시제를 이용한 화학 기상 증착 (iCVD) 방법을 이용하여 광감응 영역을 둘러싸고 있는상부, 하부 절연막을 고분자 절연체로 성막하였다. 이렇게 전기적, 구조적으로 격리된 광감응 영역은 소자가 전기적으로 켜져있는 상태에서 광감응 상태를 감지하고 저장할 수 있도록 함으로써, 소자에 빛이 조사되는 영역과 게이트 전압에 의한 전기장이 가해지는 영역이 겹치는 영역을 최대화 함으로써 빛에 의한 쓰기를 더 용이하고 효과적으로 일어날 수 있도록 하였다. 제안된 유기 광감응 메모리의 센서적, 메모리적 특성을 확인하고자, 쓰기시간, 양자효율, 노출반응의 특성들을 확인하였으며, 5 ms의 짧은 광감응 자극 노출시간에도 불구하고, 유의미한 문턱전압 이동을 나타냄을 확인하여 현대 사진기술에도 적용할 수 있음을 확인하였다. iCVD 공정으로 제작된 고품위 절연막은 전기적 신호만을 이용한 소자의 초기화를 가능케하였으며, 700 초의 정보저장시간과 50 회의 빛에 의한 쓰기/ 전기적 지우기의 반복사용 내구성을 확인하였다.
두번째 예시로, 메모리소자와 센서소자의 집적의 견지에서 저항성 소자에 대한 기능성 통합에 대한 가능성을 확인하였다. 상부의 구리 전극과 iCVD 공정으로 준비된 pV3D3 절연막 사이에 껴넣은 10 nm 두께의 $MoO_x$ 중간층이 산소가 거의 존재하지 않는 대기 환경에서 저항성 메모리로의 동작을 가능케하여 저항성 소자의 동작 환경을 확장시켰음을 확인하였으며, 제안된 저항성 소자가 다단계의 저항 특성을 갖는것을 확인하였다.
센서와의 결합 이전에, 제안된 저항성 메모리 소자에서 셋 과정에서의 컴플라이언스 전류를 제한하거나, 각기 다른 크기의 전류 펄스를 줌으로써 다단계의 저항특성을 보이는 것을 확인하였으며, 제안된 소자에서는 6 단계의 저항 변화를 보임으로써 단일 소자로 다중비트를 표현할 수 있는 소자가 구현됨을 확인하였다.
디지털화된 센서능력이 포함된 메모리 집적 가능성 확인을 위하여 압박붕대를 기반으로 만들어진 변형율 센서를 제안된 저항성 메모리와 간단히 연결해보았다. 거칠고 불연속적인 은 덩어리들을 기반으로 하는 전도성 경로가 울퉁불퉁한 붕대의 직물 구조 위에 형성된 덕택에, 변형율 센서는 가해진 변형율에 따라 불연속적인 지수적 저항 특성을 보였으며, 제안된 1 센서 + 1 저항성 메모리 집적구조에서 4.5 %의 변형율에서 105의 온/오프 비를 갖는 변형율 감응형 메모리 소자 특성을 보였다.
마지막으로, 광감응형 메모리 소자의 특성을 구현하기 위해 포토다이오드와 저항성 메모리 소자를 집적하는 구조를 제안하였다. 해당 구조에서 포토다이오드는 광감응 특성을 나타낼 뿐 아니라 본연의 다이오드 특성을 저항성 메모리의 양극성 동작특성과 함께 이용하여 차후 어레이 구조 제작에 있어 셀렉터로 사용될 수 있음을 간단히 확인하였다. 포토다이오드 동작의 사분면을 적극 활용하여 광감응형 쓰기와 전기적 초기화가 가능함을 확인하였으며, 실리콘 기반의 포토다이오드와 함께 저전압의 빠른 펄스로 (4 V, 1 ms), 조사된 빛의 양에 따라 6개의 다단계 저항특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다. 같은 개념의 집적구조를 유기 포토다이오드와의 집적으로도 확인 하였으며 6 V의 저전압 특성에서도 2 비트의 저장능력을 갖는 쓰기 동작을 확인하였다.
