Resistive switching (RS) based resistive random-access memory (RRAM) is one of the candidates for the future memory device due to their simple metal–insulator–metal structures, ultrafast switching speed, low power operation, a hysteretic I-V characteristic, low fabrication cost, CMOS compatibility, and high scalability. In particular, the neuromorphic application of RS memory has widely studied including non-volatile memory with synaptic properties and volatile memory with neuronal properties. However, most of them only emulate the characteristics of either synapse or neuron, and they cannot imitate both characteristics on a single device. Therefore, development of RS device with controllable volatility is required to realize compatible artificial synapse and neuron for neuromorphic computing. In this thesis, laser-irradiation induced Ag nucleation and growth is reported. Which can control the volatility of RS memory. Experimentally, nucleation and growth of Ag nanoparticle composing conductive filament are induced by laser-irradiation, which increase the size of Ag nanoparticle. Therefore, the size and lifetime of the conductive filament are increased, and the memory characteristics change from volatile to non-volatile. Data retention time before and after laser irradiation increased from ~ 1ms to 10$^4$s. This means that the volatile of RS memory can be controlled through laser irradiation induced Ag nucleation and growth. This method to emulate synapse and neuron on a single device without further additional fabrication process would be breakthrough in the field of neuromorphic computing.
저항변화 메모리는 간단한 Metal-Insulator-Metal 구조와 빠른 스위칭 속도, 저 전력 구동, 히스테리 I-V 특성, 저렴한 제작 비용, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 호환성 그리고 높은 확장성 등의 장점을 가지고 있어 가장 유망한 차세대 메모리 후보 중 하나이다. 특히, 뉴로모픽 분야에서 저항변화 메모리는 시냅스 모사를 위한 비휘발성 메모리와 뉴런 모사를 위한 휘발성 메모리 분야로 광범위한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구들이 시냅스와 뉴런 두 가지 특성을 동시에 모사하지 못 하고, 시냅스와 뉴런 각각을 모사하는데 그치고 있다는 한계를 가지고 있다. 따라서, 휘발성 제어 가능한 저항변화 메모리 개발은 시냅스와 뉴런을 동시에 모사하여 뉴로모픽 컴퓨팅을 실현하는데 꼭 필요한 기술이다. 본 논문에서는 레이저 조사를 통해 유발되는 실버 핵 생성 및 성장을 통해 저항변화 메모리의 휘발성을 제어하였다. 실험적으로, 전도성 필라멘트를 구성하는 실버 나노 입자를 레이저 조사를 통해 핵 생성 및 성장시켰으며, 이것은 실버 나노 입자의 크기를 증가시켰다. 그 결과로 전도성 필라멘트의 사이즈 및 수명이 증가하였고, 메모리 특성이 휘발성에서 비휘발성으로 변하는 결과를 확인하였다. 레이저 조사 전/후 데이터 보유 시간은 1ms에서 10$^4$s 수준으로 매우 크게 증가하였다. 이러한 결과는 레이저 조사로 유발되는 실버 핵 생성 및 성장을 통해 저항변화 메모리의 휘발성 제어가 가능하다는 것을 의미한다. 추가적인 공정 진행 없이 시냅스와 뉴런을 동시에 모사 가능한 디바이스 제작이 가능한 본 기술은 향후 뉴로모픽 컴퓨팅 분야 발전에 큰 도움이 될 것이다.
