KR101438468B1 - 다층의 재구성가능한 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 두 전극(104, 106) 사이에 샌드위치된 화합물(102)을 포함하는 재구성가능한 2단자 전자 스위치 디바이스(100)에 관한 것이다. 이들 디바이스는 두 전극/화합물 계면 영역이 각각의 계면에서 도펀트의 농도에 따라 정류 상태 또는 전도 상태로 될 수 있도록 구성되어, 네 가지의 상이한 디바이스 동작 특성을 제공한다. 인가된 전계 펄스에 따라 대전된 도펀트를 강제로 계면 영역 내외로 드리프트시킴으로써, 회로 소자는 안정한 동작의 한 형태에서부터 적어도 세 가지 상이한 방식으로 다른 형태로 스위치될 수 있다. 이러한 특성을 나타내도록 구성된 디바이스의 패밀리는 나노스케일 전자 디바이스에 새로운 기회를 부여하는 특성을 보여준다.

Description

다층의 재구성가능한 스위치{MULTI-LAYER RECONFIGURABLE SWITCHES}
본 발명의 실시예는 나노스케일 전자 디바이스에 관한 것으로, 특히,스바 어레이(crossbar arrays)로 구현될 수 있는 재구성가능한 다이오드 스위치(re-configurable diode switches)에 관한 것이다.
현재 상당한 연구와 개발 노력이 나노스케일 메모리와 같은 나노스케일 전자 크로 디바이스를 설계하고 제조하는데 모아지고 있다. 나노스케일 전자장치는 나노스케일, 포토리소그래피-기반 전자장치들에 비해 상당히 축소된 특징 크기를 포함하면서 자가 조립하고 상대적으로 저렴한 다른 포토리소그래피-기반이 아닌 제조 방법의 잠재력을 포함하는 많은 장점을 보장해 준다. 그러나, 나노스케일 전자 디바이스는 나노스케일 전자 디바이스를 대규모 상업적으로 생산하기 전에 그리고 나노스케일 전자 디바이스를 미소규모(microscale) 및 대규모의 시스템, 장치, 및 제품에 포함하기 전에 해결해야할 필요가 있는 많은 새로운 문제를 나타내고 있다.
나노미터-규모의 크로스드-와이어 디바이스(nanometer-scale crossed-wire devices)에서 스위칭에 관한 연구에 따르면 이들 디바이스는 가역적으로 스위치될 수 있으며 ~103의 "온-대-오프(on-to-off)" 컨덕턴스 비율을 갖는 것으로 이미 보고되었다. 이들 디바이스는 크로스바 회로를 구성하는데 사용되어 왔으며 초고(ultra-high)밀도 비휘발성 메모리의 생산을 위한 유망한 경로를 제공하는데 사용되어 왔다. 래치를 제조하는데 사용될 수 있는 크로스-와이어 스위치들의 직렬 연결이 또한 입증되었으며, 그러한 래치는 로직 회로 및 로직 및 메모리 사이의 통신에 중요한 부품이다. 스위치의 크로스바 어레이로부터 전적으로 구성될 수 있는 새로운 로직 패밀리 또는 스위치 및 트랜지스터로 구성된 하이브리드 구조체로서의 새로운 로직 패밀리가 알려져 왔다. 이러한 새로운 로직 패밀리는 CMOS 회로의 계산 효율을 급격히 증가시키는 잠재성을 가지며, 그럼으로써 트랜지스터를 축소하지 않고도 또는 필요에 따라 어떤 응용에서 CMOS를 대체하지 않더라도 훨씬 큰 정도로 성능을 개선할 수 있다. 그러나, 현재 제조되는 디바이스의 성능을 개선하는 것이 바람직하다.
본 발명의 여러 실시예들은 나노스케일의 재구성가능한 2단자 전자 스위치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 전자 스위치는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 적어도 하나의 도펀트를 포함하는 활성 영역을 포함한다. 상기 스위치는 상기 스위치를 통해 전하 캐리어의 흐름을 제어하기 위해 상기 활성 영역 내에 상기 도펀트를 위치시킴으로써 순방향 정류기(forward rectifier), 역방향 정류기(reverse rectifier), 션트형 정류기(shunted rectifier), 또는 헤드-투-헤드 정류기(head-to-head rectifier)로서 동작하도록 재구성될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 2단자 스위치를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 네 가지 정류기와 연관된 터널링 장벽의 프로파일을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 도 1b에 도시된 네 가지 정류기들과 연관된 전류-대-전압 곡선 및 정류기 쌍들 사이에서 세 가지 스위칭 모드의 플롯을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 나노와이어 크로스바 어레이의 등각도(isometric view)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 크로스바의 교차점에 배치된 스위치를 보여주는 나노와이어 크로스바의 등각도를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 스위치에서 산소 공극 역할을 입증하도록 구성된 네 개의 개별 스위치들의 등각도를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따라서 도5a에 도시된 스위치와 연관된 전류-대-전압 곡선의 플롯을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 스위치의 등각도를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 Pt/TiO2/Pt 스위치를 션트 스위칭하여(shunting switching) 얻은 실험 결과를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 Pt/TiO2/Pt 스위치를 오픈 스위칭하여(opening switching) 얻은 실험 결과를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 Pt/TiO2/Pt 스위치를 반전 스위칭하여(inverting switching) 얻은 실험 결과를 나타낸다.
본 발명의 여러 실시예는 비휘발성이면서 재구성가능한 다이오드 정류 상태를 멤리스틱 스위칭(memristive switching)과 결합한 나노스케일의 2단자 전자 스위치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따라 구성된 스위치는 두 전극들 사이에 샌드위치된 활성 영역으로 구성된다. 활성 영역과 전극들 사이의 두 계면은 쇼트키 접합이다. 활성 영역은 활성 영역 양단에 적절한 크기 및 극성의 전계를 인가함으로써 상이한 네 가지 정류 상태 중 하나로 스위치될 수 있는 다이오드이다. 전계는 계면에서 쇼트키 접합을 오믹형 장벽 및/또는 쇼트키형 장벽을 갖도록 변화시키며, 따라서 활성 영역이 구성되게 할 수 있고 스위치가 네 가지 형태의 정류기, 즉, 순방향 정류기, 역방향 정류기, 션트형 정류기, 및 헤드-투-헤드 정류기 중 하나로서 동작할 수 있게 한다. 스위치에 인가된 동작 전압이 활성 영역의 정류 상태를 스위치하는데 사용된 전계의 크기를 초과하지 않으면 활성 영역은 특정 정류 상태를 그대로 유지한다.
상세한 설명은 다음과 같이 정리된다. 전기적으로 활성화된 2단자 스위치의 설명은 첫 번째 단원에서 제공된다. 스위치의 정류 상태를 스위칭하는 설명은 두 번째 단원에서 제공된다. 스위치를 제조하는데 사용될 수 있는 각종 물질들은 세 번째 단원에서 제공된다. 스위치를 크로스바 어레이 형태로 구현하는 것에 대해서는 네 번째 단원에서 제공된다. 마지막으로, 플래티넘 전극 및 TiO2 할성 영역으로 구성된 스위치는 다섯 번째 단원에서 설명된다.
I. 전자적으로 활성화된 2단자 스위치(A Two-terminal Electronically Actuated Switch)
도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 구성된 2단자 스위치(100)를 도시한다. 스위치(100)는 세 개의 층, 즉, 제1 전극(104)과 제2 전극(106) 사이에 샌드위치된 활성 영역(102)으로 구성된다. 제1 전극(104)은 전압원(108)에 연결되며 제2 전극은 접지(110)에 연결된다. 활성 영역(102)은 도펀트를 포함하는 다이오드이다. 적절한 크기 및 극성의 전계를 인가하면 도펀트의 위치가 변한다. 그 결과로서, 활성 영역(102)은 네가지 상이한 형태의 정류기, 즉, 순방향 정류기, 역방향 정류기, 헤드-투-헤드 정류기, 및 션트형 정류기 중 하나로서 동작될 수 있다.
활성 영역(102)은 일차 활성 영역 또는 활성층, 및 이차 활성 영역, 또는 활성층으로 구성된다. 일차 활성 영역은 전자적으로 반도체성인 또는 공칭상 전자적으로 절연성이면서 약한 이온 전도체일 수 있는 박막의 물질을 포함한다. 일차 활성 물질은 도펀트로서 작용하여 스위치(100)를 통해 전자의 흐름을 제어하는 이온을 이송(transporting) 및 호스팅(hosting)할 수 있다. 기본 동작 모드는 적절한 크기 및 극성의 전계를 활성 영역(102) 양단에 인가하는 것이다. "드리프트 전계(drift field)" 라고도 하는 전계의 크기가 일차 물질 내 도펀트의 이동을 가능하게 하는 소정 임계치를 초과할 때, 도펀트는 이온의 이송을 통해 일차 물질 내외로 드리프트할 수 있다. 이온종(ionic species)은 특히 일차 물질의 전기적 도펀트로서 작용하는 것들 중에서 선택되며, 그럼으로써 일차 활성 물질의 정류 상태를 변화시킨다. 예를 들어, 정류기가 낮은 전도도(즉, 도핑되지 않은 반도체 또는 절연체 - 스위치 "오프" 구성)에서 높은 전도도(더 높은 전도도를 제공하도록 도핑됨 - 스위치 "온" 구성)로 변화될 수 있거나 또는 높은 전도도에서 낮은 전도도(스위치 "온"에서 스위치 "오프")로 변화될 수 있다. 또한, 일차 활성 물질 및 도펀트는 활성 영역(102)이 합당한 기간 동안, 아마도 실온에서 수년 동안 특별한 정류 상태를 유지하는 것을 보장하기 위해 도펀트가 일차 활성 물질 내외로 드리프트하는 것이 가능하되 그 드리프트가 너무 쉽지 않도록 선택된다. 이로써 활성 영역(102)은 비휘발성이 보장된다. 다시 말해서, 활성 영역(102)은 멤리스틱 상태가 되며(memristive)(즉, 메모리 레지스티브(memory resistive)) 드리프트 전계가 제거된 후에도 그의 정류 상태를 유지한다. 충분히 큰 크기의 드리프트 전계를 인가하면 전자 전류 및 도펀트가 드리프트하며, 반면 드리프트 전계보다 낮은 상대적 전압 크기의 바이어스를 인가하면 스위치가 그 정류 상태를 유지할 수 있게 해주는 무시할만한 도펀트의 드리프트가 발생한다.
한편, 이차 활성 물질은 일차 활성 물질의 도펀트의 원천인 박막을 포함한다. 이들 도펀트는 수소 또는 어떤 다른 양이온(cation), 이를 테면, 일차 활성 물질의 전자 도너로서 작용하는 알칼리 또는 전이금속과 같은 불순물 원자일 수 있다. 대안으로, 도펀트는 음이온 공극(anion vacancies)일 수 있으며, 음이온 공극은 일차 활성 물질에서 대전(charged)되므로 격자에서는 전자 도너이기도 하다. 도펀트는 또한 음이온을 전자 억셉터 또는 홀 도너가 되는 일차 활성 물질로 만드는 것도 가능하다.
일차 활성 물질은 나노결정(nanocrystalline), 나노다공성(nanoporous), 또는 비정질(amorphous)일 수 있다. 그러한 나노구조 물질 내 도펀트의 이동도는 벌크 결정 물질(bulk crystalline material)보다 훨신 높은데, 그 이유는 미세 경계부(grain boundaries), 미세공극(pores)을 통해 또는 비정질 물질의 국부적인 구조적 결함을 통해 확산이 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 일차 활성 물질의 막이 얇기 때문에, 도펀트를 그 막의 영역 내외로 확산시켜 막의 전도도를 실질적으로 변화시키는데 필요한 시간량은 비교적 빠르다. 예를 들면, 확산 공정에 필요한 시간은 덮힌 거리의 제곱으로서 변하며, 그러므로 일 나노미터를 확산하는데 필요한 시간은 일 마이크로미터를 확산하는 시간의 일백만분의 일이다.
활성 영역(102)의 일차 활성 물질 및 이차 활성 물질은 금속 전극(104 및 106)의 어느 일 측에 접합되거나, 또는 전극들 중 하나는 반도체 물질로 구성될 수 있고 다른 전극은 금속으로 구성될 수 있다. 활성 영역(102)이 반도체 물질로 구성될 때, 금속 전극과 활성 영역(102) 사이의 접합은 자유 전하 캐리어의 활성 영역(102)을 공핍시킨다. 따라서, 활성 영역(102)은 전자 도너의 경우에 정극성(positive)이고 전자 억셉터의 경우에 부극성(negative)인 도펀트의 정체성에 의존하는 순 전하를 갖는다. 전극/반도체 쇼트키 및 오믹 장벽에 관한 종래의 설명은 물질이 나노스케일로 구성된다는 사실에 따라 변경되며, 그러므로 구조적 및 전자적인 특성은 금속-반도체 접합 이론이 발전되어 온 오랜 기간 동안 일반화되지 않는다. 따라서, 도핑되지 않은 전극/활성 영역 간의 계면은 전자적으로 쇼트키 장벽과 유사하며 "쇼트키형 장벽"이라 지칭되며, 도핑된 전극/반도체 계면은 전자적으로 오믹 장벽과 유사하여 "오믹형 장벽"이라 지칭된다.
일차 활성 물질을 통한 전자의 전도는 오믹형 장벽을 통한 비아 퀀텀 기계적 터널링(via quantum mechanical tunneling)이다. 반도체성 물질이 낮은 도펀트 농도를 갖거나 또는 본질적으로 진성(intrinsic)일 때, 터널링 장벽은 높고 넓은 쇼트키형 장벽이다. 따라서, 스위칭 물질(102)을 통한 전도도는 낮으며 디바이스(100)는 "오프" 상태에 있다. 상당수의 도펀트가 반도체 내로 주입되었을 때, 터널링 장벽은 오믹형 장벽이며 터널링 장벽의 폭과 아마도 높이는 도펀트의 전위에 의해 줄어들고, 이로써 전도도의 증가를 가져오며, 다비아스(100)는 "온" 상태로 된다.
네 가지 정류기는 각기 상이한 도펀트 배열을 갖는다. 도펀트가 전극/활성 영역 계면에서 또는 그 근처에 배치될 때, 그 계면은 오믹형 장벽을 갖는다. 따라서, 전하 캐리어는 오믹형 장벽을 통해 활성 영역(102) 내외로 쉽게 터널될 수 있다. 한편, 전극/활성 영역의 계면에서 또는 그 근처에 있는 활성 영역(102)의 도핑되지 않은 부분은 너무 높거나 넓어서 대부분의 전하 캐리어가 활성 영역(102)을 통해 터널링하지 못하는 쇼트키형 장벽을 갖는다. 도 1b는 본 발명의 실시예에 따라서 네 가지 정류기의 각각과 연관된 오믹형 및 쇼트키형 장벽의 상대 위치를 도시한다. 순방향 정류기(112) 및 역방향 정류기(113)는 마주하는 계면에 위치한 오믹형 장벽 및 쇼트키형 장벽을 갖는다. 헤드-투-헤드 정류기(114)는 활성 영역(102) 내에 도펀트가 분포되어 양측 계면에서 쇼트키형 장벽을 남기는 것을 특징으로 한다. 한편, 션트형 정류기(115)는 양측 계면에서 또는 그 근처에 도펀트를 위치시켜 양측 계면에서 오믹형 장벽을 형성하는 것을 특징으로 한다.
하나의 정류기에서 다른 정류기로의 스위칭은 적절한 크기 및 극성의 전계를 활성 영역(102) 양단에 인가함으로써 성취될 수 있다. 전계는 도펀트를 전극/활성 영역 간의 계면의 내외로 드리프트하게 하여 디바이스(100)의 정류 상태를 변화시킨다. 예를 들면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 적절한 전계는 션트형 정류기(115)의 계면 근처에 위치한 도펀트를 계면들 중 하나로 강제로 이동하게 하여 션트형 정류기(115)가 순방향 정류기(112) 또는 역방향 정류기(113)로 변경하게 하는데 사용될 수 있다. 네 가지의 정류기의 각각과 연관되고 한 정류기에서 다른 정류기로의 스위칭과 연관된 전류-대-전압(I-V) 특성 곡선은 도 2를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
활성 영역(102)을 금속 또는 반도체 전극에 연결하는 계면들 중 하나가 공유결합되지 않는다면(non-covalently bonded) 대전된 종(charged species)이 일차 활성 물질 내외로 확산하는 능력이 실질적으로 개선된다. 그러한 계면은 물질에 존재하는 빈곳(void)에 의한 것일 수 있고 또는 전극, 일차 활성 물질, 또는 두 가지 모두와의 공유결합을 형성하지 못한 물질을 포함하는 계면의 결과일 수 있다. 이러한 비공유 결합된 계면은 일차 활성 물질 내 도펀트의 드리프트에 필요한 원자 재배열의 활성 에너지를 낮추게 한다. 이 계면은 본질적으로 극히 얇은 절연체이며, 스위치의 총 직렬 저항에 매우 적은 양을 더해준다.
일차 활성 물질의 잠재적으로 유용한 한가지 특성은 이 물질이 약한 이온 전도체일 수 있다는 것이다. 약한 이온 전도체의 감응도(definition)는 스위치(100)가 설계된 응용에 따라 달라진다. 격자 내 도펀트의 이동도
Figure 112011014110812-pct00001
및 확산 상수
Figure 112011014110812-pct00002
는 아인슈타인 관계식으로 특징지어지는 것으로서 서로 정비례한다.
Figure 112011014110812-pct00003
여기서
Figure 112011014110812-pct00004
는 볼츠만 상수이고,
Figure 112011014110812-pct00005
는 절대 온도이다. 따라서, 만일 격자내 도펀트의 이동도
Figure 112011014110812-pct00006
가 높아지면 확산 상수
Figure 112011014110812-pct00007
가 높아진다. 일반적으로, 스위치(100)의 활성 영역(102)은 응용예에 따라서 초 단위부터 년 단위까지를 범위로 할 수 있는 시간량 동안 특정한 정류 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 활성 영역(102)의 상태를 의도적으로 적절한 전압으로 설정하려는 것보다, 이온화된 도펀트 확산을 통해 활성 영역(102)을 하나의 정류기에서 다른 정류기로 다시 무심코 되돌려지는 것을 방지하기 위하여, 확산 상수
Figure 112011014110812-pct00008
가 충분히 낮아 안정도(stability)를 희망하는 정도로 되도록 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 약한 이온 전도체는 도펀트의 이동도
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및 확산 상수
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가 원하는 조건하에서 필요로 하는 동안 활성 영역(102)의 안정성 또는 비휘발성을 보장하기에 충분히 작은 전도체이다. 한편, 강 이온 전도체(strongly ionic conductors)는 상대적으로 도펀트 이동도가 크며 확산에 대비하여 안정적이지 못할 것이다.
II. 스위치의 비휘발성 멤리스틱 스위칭(Non-volatile Memristive Switching of the Switch)
활성 영역(102)은 비휘발성이고 재구성가능하며 멤리스틱 스위칭의 다이오드 정류 상태를 나타낸다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 활성 영역(102)의 네 가지 정류기(201-204) 및 정류기 쌍들 사이에서 세 가지 스위칭 모드의 개략적인 프로파일을 도시한다. 네 가지 정류기(201-204) 이외에, 도 2는 네 정류기(201-204) 각각과 연관된 회로도(205-208) 및 I-V 특성 플롯(210-213)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(100)의 네 가지 정류기(201-204)의 각각은 상이한 도펀트 프로파일 분포를 나타내며, 그러므로, 각각의 플롯(210-213)에서 나타낸 상이한 연관된 I-V 특성을 갖는다. 전극/활성 영역 접합은 과도핑(heavy doping)의 경우에는 전형적으로 오믹형이며, 저도핑(low doping)의 경우에는 정류형 또는 쇼트키형이다. 따라서, 계면에서의 도펀트의 농도는 전기적 특성을 결정하며, 그러므로, 스위치(100)를 통한 전자의 이동을 결정하게 된다. 도 2에서, 네 가지 다른 정류기(201-204)는 각기 순방향 정류기, 역방향 정류기, 션트형 정류기, 및 헤드-투-헤드 정류기로서 식별된다. 이들 정류기들 각각의 정류 상태 특성은 활성 영역(102) 내 도펀트의 분포에 따라 다르다.
I-V 특성 곡선의 플롯(210-213)은 스위치(100)의 응답이 상이한 전압 극성 및 크기를 보여주고 있다. 특히, 플롯(210)은 스위치(100)가 순방향 정류기(201)로서 구성될 때, 전압(214)을 초과하는 정극성 전압에서 전류가 제1 전극(104)에서 제2 전극으로 흐르며 저항은 부극성 전압에서 크다는 것을 보여주고 있다. 플롯(211)은 스위치(100)가 역방향 정류기(202)로서 구성될 때, 전압(215)을 초과하는 부극성 전압에서 전류는 제2 전극(106)에서 제1 전극(104)으로 흐르며 저항은 정극성 전압에서 크다는 것을 보여주고 있다. 플롯(212)은 스위치(100)가 션트형 정류기(203)로서 구성될 때, 전압(216 및 217)을 초과하는 크기를 갖는 정극성 및 부극성 전압에서는 전류가 실질적으로 스위치(100)를 통해 방해받지 않고 흐르는 것을 보여주고 있다. 마지막으로, 플롯(213)은 스위치(100)가 헤드-투-헤드 정류기(204)로서 구성될 때, 전압(218 및 219) 사이의 정극성 및 부극성 전압에서는 스위치(100)의 저항이 높다는 것을 보여주고 있다. 플롯(210-213)은 단지 동작 전압 범위를 도시함을 주목하여야 한다. 다시 말해서, 플롯(210-213)에서 표시된 정류기(201-204)에 인가된 전압의 크기는 정류기를 다른 정류기로 변경하거나 또는 스위치(100)를 파괴할 정도로 충분히 크지 않다.
도펀트는 활성 영역(102)이 단지 수나노미터 두께 정도일 수 있기 때문에 적절한 드리프트 전계 하에서 유동한다. 드리프트 전계 하에서 도펀트의 드리프트로 인한 도펀트 프로파일의 재구성은 네 개의 정류기들 사이에서 전기적인 스위칭을 일으킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 션트 동작은 순방향 정류기(201)와 션트형 정류기(203) 사이에서 스위칭한다. 이러한 스위칭 시, 계면(220)은 과도핑되며 전기적인 바이어싱 동안 무시할만한 변동을 갖는 오믹형을 유지한다. 제1 전극(104)에 적절한 극성 및 크기의 바이어스를 가하면 도펀트의 일부가 계면(222)으로 끌려오며, 디바이스를 순방향 정류기(201)에서 션트형 정류기(203)로 스위칭시킨다. 극성이 반대이고 대략 같은 크기의 바이어스를 가하면 다시 션트형 정류기(203)에서 순방향 정류기(201)로의 스위칭이 일어난다. 물론, 역방향 정류기(202)와 션트형 정류기(203) 사이의 스위칭도 대각방향 화살표(224)로 표시된 바와 같이 이러한 형태의 스위칭에 속한다.
오픈하는 것은 역방향 정류기(202)와 헤드-투-헤드 정류기(204) 사이를 스위칭한다. 이 경우, 도핑되지 않은 계면(220)은 변경되지 않은 채로 유지되며 단지 도핑된 계면(222)만이 스위치된다. 도핑되지 않은 계면은 소수의 도펀트를 포함하고 있으며 오믹형 대신 정류 동작을 유지한다. 제1 전극(104)에 적절한 극성 및 크기의 바이어스를 가하면 도펀트를 계면(222)에서 멀리 밀어내게 되며 역방향 정류기(202)에서 헤드-투-헤드 정류기(204)로 스위치되며 그 반대로도 가능하다. 순방향 정류기(201)와 백투백 정류기(204) 사이의 스위칭도 오픈하는 것이다.
순방향 정류기(201)와 역방향 정류기(202) 사이의 반전은 전극들(104 및 106)에 반대 극성의 바이어스를 동시에 가하면 된다. 예를 들면, 순방향 정류기(201)에서 역방향 정류기(202)로의 스위칭은 전극들(104 및 106)에 반대 극성의 바이어스를 인가하여 도펀트를 계면(220)으로부터 멀리 밀어냄과 동시에 도펀트를 계면(222)으로 끌어당김으로써 성취된다. 역방향 정류기(202)에서 순방향 정류기(201)로의 스위칭은 전극들(104 및 106)에 반대 극성의 바이어스를 인가하여 도펀트를 계면(222)으로부터 멀리 밀어냄과 동시에 도펀트를 계면(220)으로 끌어당김으로써 성취된다. 그러므로, 활성 영역(102) 전체의 도펀트 프로파일은 본질적으로 반전되며 따라서 정류 성향을 띄게되며, 그 결과 역방향 정류기와 순방향 정류기 사이에서 스위칭이 일어난다.
III. 활성 영역 물질(Active Region Materials)
전극(104 및 106)은 백금, 금, 은, 구리 또는, 어떤 다른 적합한 금속, 금속 화합물(예컨대, BaTiO3 및 Ba1 - xLaxTiO3와 같은 몇 가지의 페로브스카이트) 또는 반도체로 구성될 수 있다. 활성 영역(102)의 일차 및 이차 활성 물질은 알칼리 토금속이 존재하거나 존재하지 않는 전이 금속 또는 희토류 금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물, 질화물, 인화물, 비소화물, 염화물, 및 브롬화물일 수 있다. 또한, 이들 화합물 서로와의 각종 합금이 있으며, 이들은 서로 상호 용해가능한 광범위한 조성물을 가질 수 있다. 또한, 활성 영역(102)은 2개 이상의 금속 원자가 몇 개의 음전기 원소(electronegative elements)와 혼합된 혼합 화합물로 구성될 수 있다. 도펀트는 활성 영역(102)에서 도핑된 음이온 공극 또는 다른 원자가 원소일 수 있다. 물질들의 한가지 조합은 도핑되지 않고 비화학양론적인(stoichiometric) 일차 활성 물질이며, 따라서 적절한 바이어스를 인가함에 따라 일차 물질 내로 이동할 수 있는 고농도의 음이온 공극 또는 다른 도펀트들을 포함하는 동일한 패런트(parent) 물질 또는 관련된 패런트 물질의 이차 소스/싱크(source/sink)와 조합된 양호한 절연체이다.
활성 영역(102)은 적어도 하나의 산소 원자(O) 및 적어도 하나의 다른 원소를 포함하는 산화물로 구성될 수 있다. 특히, 활성 영역(102)은 이산화티타늄 (TiO2), 산화지르코늄(ZrO2), 및 산화하프늄(HfO2)으로 구성될 수 있다. 이들 물질이 실리콘(Si) 내에서 도핑을 생성하지 않기 때문에 이들 물질은 Si 집적 회로 기술과 호환성이 있다. 활성 영역(102)의 다른 실시예는 한 쌍씩의 이들 산화물의 합금 또는 3 가지 원소 Ti, Zr, 및 Hf가 모두 존재하는 산화물의 합금을 포함한다. 예를 들면, 활성 영역(102)은 TixZryHfzO2로 구성될 수 있으며, 여기서 x + y + z = 1 이다. 관련 화합물은 티타네이트, 지르코네이트, 및 하프네이트를 포함한다. 예를 들면, 티타네이트는 ATiO3를 포함하며, 여기서 A는 2가 원소로서 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 및 카드뮴(Cd) 중 하나를 나타낸다. 일반적으로, 활성 영역(102)은 ABO3로 구성될 수 있으며, 여기서 A는 2가 원소를 나타내며, B는 Ti, Zr, 및 Hf를 나타낸다. 활성 영역(102)은 또한 CaaSrbBacTixZryHfzO3 과 같이 이들 각종 화합물들의 합금으로 구성될 수 있으며, 여기서 a + b + c = 1이며 x + y + z = l이다. 또한 개별적으로 그리고 더 많은 착화합물로서 사용될 수 있는 다른 원자가의 전이금속 및 희토류 금속의 광범위한 다른 산화물이 있다. 각각의 경우에, 이동 도펀트는 산소 공극(oxygen vacancy) 또는 활성 영역(102)에서 도핑된 이종원자가 원소(aliovalent element)일 수 있다. 산소 공극은 하나의 얕은 에너지 준위와 하나의 깊은 에너지 준위를 갖는 도펀트로서 효과적으로 작용한다. TiO2 -x에서 비교적 소량의 비화학양론적 양의 약 0.1% 산소 공극이라도 대략 5 x 1019 도펀트/cm3과 대략 등가이기 때문에, 산소 공극 프로파일을 조절하면 전자 이송에 강한 영향을 미친다.
다른 실시예에서, 활성 영역(102)은 다소간의 이온결합 특성을 갖는 전이금속의 황화물 또는 셀렌화물, 필수적으로는 전술한 산화물의 황화물 또는 셀렌화물 유사물일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 활성 영역(102)은 반도체성 질화물 또는 반도체성 할로겐화물일 수 있다. 예를 들면, 반도체성 질화물은 AlN, GaN, ScN, YN, LaN, 희토류 질화물, 및 이들 화합물 및 추가의 착화합물 혼합 금속 질화물의 합금을 포함하며, 반도체성 할라이드는 CuCl, CuBr, 및 AgCl을 포함한다. 활성 영역(102)은 다양한 전이금속 및 희토류 금속의 인화물 또는 비소화물일 수 있다. 이러한 화합물 모두에서, 이동 도펀트는 음이온 공극 또는 이종원자가 원소일 수 있다.
다양한 도펀트가 사용될 수 있으며, 이들은 수소, 알칼리 및 알칼리토금속 양이온, 전이금속 양이온, 희토류금속 양이온, 산소 음이온 또는 공극, 칼코게나이드 음이온 또는 공극, 질소 음이온 또는 공극, 닉타이드(pnictide) 음이온 또는 공극, 또는 할로겐화물 음이온 또는 공극으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
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다른 실시예에서, 활성 영역(102)은 또한 직접 및 간접 반도체의 다양한 조합을 포함하는 광범위한 반도체 물질로 구성될 수 있다. 직접 반도체(direct semiconductor)는 동일한 파상수(wavenumber)에서 발생하는 원자가 전자대(valence band) 최대값과 전도대(conduction band) 최소값을 특징으로 한다. 이와는 대조적으로, 간접 반도체(indirect semiconductor)는 다른 파상수에서 발생하는 원자가 전자대 최대값과 전도대 최소값을 특징으로 한다. 간접 및 직접 반도체는 원소 및 화합물 반도체일 수 있다. 간접 원소 반도체는 Si 및 게르마늄(Ge)을 포함하며, 화합물 반도체는 III-V 물질을 포함하며, 여기서 로마 숫자 III 및 V는 원소주기율표의 IIIa족 및 Va족 원소를 나타낸다. 화합물 반도체는 질소(N), 인(P), 비소(As), 및 안티몬(Sb)과 같은 Va족 원소와 조합된 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 및 인듐(In)과 같은 IIIa족 원소로 구성될 수 있다. 화합물 반도체는 또한 III족 및 V족 원소의 상대적인 양에 따라 더 분류될 수 있다. 예를 들면, 2 성분 반도체 화합물(binary semiconductor compounds)은 조성식 GaAs, InP, InAs, 및 GaP을 갖는 반도체를 포함하고; 3 성분 화합물(ternary semiconductor compounds) 반도체는 조성식 GaAsyP1 -y 을 갖는 반도체를 포함하며, 여기서 y는 0 이상 1 미만의 범위이며; 4 성분 화합물 반도체는 조성식 InxGa1 - xAsyP1 -y 을 갖는 반도체를 포함하며, 여기서 x 및 y는 독립적으로 0 이상 1 미만의 범위이다. 다른 형태의 적합한 화합물 반도체는 II-VI족 물질을 포함하며, 여기서 II 및 VI는 원소주기율표의 IIb 및 VIa족 원소를 나타낸다. 예를 들면, CdSe, ZnSe, ZnS, 및 ZnO는 예시적인 2 성분 II-VI 화합물 반도체의 조성식이다.
도펀트는 활성 영역(102)의 전자 밴드 갭에 "홀(holes)"이라 불리는 빈 전자 에너지 준위(vacant electronic energy levels)를 도입하는 원자인 p-형 불순물일 수 있다. 이러한 불순물은 또한 "전자 엑셉터(electron acceptors)"로도 불린다. 도펀트는 활성 영역(102)의 전자 밴드 갭에 충진된 전자 에너지 준위(filled electronic energy levels)를 도입하는 원자인 n-형 불순물일 수 있다. 이러한 불순물은 "전자 도너(electron donors)"로 불린다. 예를 들면, 붕소(B), Al, 및 Ga는 Si의 원자가 전자대에 가까이에 빈 전자 에너지 준위를 도입하는 p-형 불순물이며; P, As, 및 Sb는 Si의 전도대 가까이에 충진된 전자 에너지 준위를 도입하는 n-형 불순물이다. III-V 화합물 반도체에서, VI족 불순물은 III-V 격자 내의 V족 부위를 대체하여 n-형 불순물로서 작용하며, II족 불순물은 III-V 격자 내의 III족 원자를 대체하여 p-형 불순물을 형성한다. 활성 영역(102)의 적당한 도핑은 약 1015 불순물/㎤를 초과하는 불순물 농도를 가질 수 있지만, 활성 영역(102)의 더 과도한 도핑은 약 1019 불순물/㎤를 초과하는 불순물 농도를 가질 수 있다.
IV. 나노와이어 구현(Nanowire Implementations)
스위치(100)는 나노와이어 크로스바 어레이(nanowire crossbar arrays)의 나노와이어 교차점에서 구현될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 구성된 나노와이어 크로스바 어레이(300)의 등각도를 도시한다. 크로스바 어레이(300)는 대략 평행한 제1 나노와이어 층(302)과 그 위에 놓인 대략 평행한 제2 나노와이어 층(304)으로 구성된다. 비록 이들 층들 사이의 방위 각도가 변할 수 있을지라도 제2 층(304)의 나노와이어는 방위적으로 제1 층(302)의 나노와이어와 대략 직교한다. 두 층의 나노와이어는 격자, 또는 크로스바를 형성하며, 제2 층(304)의 각 나노와이어는 제1 층(302)의 모든 나노와이어의 위에 가로놓이며 두 나노와이어 사이에서 가장 가깝게 접합하는 나노와이어 교차점에서 제1 층(302)의 각 나노와이어와 밀착된다.
비록 도 3에서 개개의 나노와이어가 사각형의 단면을 갖는 것으로 도시되어 있을지라도, 나노와이어는 또한 정사각형, 원형, 타원형, 또는 많은 복잡한 단면을 가질 수 있다. 나노와이어는 또한 여러 다른 폭 또는 직경 및 종횡비 또는 이심률(eccentricities)을 가질 수 있다. "나노와이어 크로스바" 라는 용어는 나노와이어 이외에도, 서브-마이크로스케일 와이어, 마이크로스케일 와이어, 또는 이보다 큰 치수의 와이어로 이루어진 하나 이상의 층을 갖는 크로스바를 지칭할 수 있다.
층들은 기계적인 나노임프린팅 기술에 의해 제조될 수 있다. 대안으로, 나노와이어는 화학적으로 합성될 수 있고 랭뮤어-블로젯 공정(Langmuir-Blodgett processes)을 포함하는 하나 이상의 처리 단계에서 대략 평행한 나노와이어의 층들로서 증착될 수 있다. 나노와이어를 제조하는 다른 대안의 기술 또한 이용될 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 층을 포함하는 이층 나노와이어 크로스바는 다수의 비교적 간단한 공정 중 어떤 공정에 의해 제조될 수 있다. 많은 상이한 형태의 전도성 및 반전도성 나노와이어는 금속 및 반도체 물질로부터, 이러한 형태의 물질들의 조합으로부터, 및 다른 형태의 물질로부터 화학적으로 합성될 수 있다. 나노와이어 크로스바는 나노와이어를 전기 회로에 통합시키기 위해 각종 다른 방법을 통해, 마이크로스케일 어드레스-와이어 리드 또는 다른 전자 리드에 연결될 수 있다. 나노와이어 교차점에서, 저항, 및 다른 유사한 기본 전자 부품과 같은 나노스케일 전자 부품이 제조되어 중첩하는 두 나노와이어를 상호연결할 수 있다. 스위치에 의해 연결된 어느 두 나노와이어는 "크로스바 접합"이라 불리운다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 대략 평행한 제1 나노와이어 층(404)과 대략 평행한 제2 나노와이어 층(406) 사이에 배치된 중간층(402)을 보여주는 나노와이어 크로스바(400)의 등각도를 도시한다. 층(402)은 서브층(408 및 410)으로 구성된다. 서브층(408)은 도핑되지 않은 물질로 구성될 수 있으며, 서브층(410)은 도핑된 물질로 구성될 수 있다. 층(402)을 포함하는 물질 및 도펀트는 III 단원에서 기술된 바와 같이 선택되어 각 나노와이어 교차점에서 스위치(412-415)를 구성한다. 나노와이어는 반도체 물질의 적합한 금속으로 구성될 수 있으며 전극으로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 서브층(408)은 TiO2로 구성될 수 있고, 상대적으로 얇은 서브층(410)은 TiO2 -x로 구성될 수 있으며, 여기서 서브층(410) 내 산소 공극은 도펀트이며, 나노와이어는 Pt로 구성될 수 있다. 스위치(414)는 제1 층(404)의 나노와이어(416), 제2 층(406)의 나노와이어(417), 및 나노와이어(416 및 417) 사이의 층(402) 내 영역(418)으로 형성된다. 각각의 스위치(412-415)는 개별적으로 동작되어 도 2를 참조하여 전술한 순방향, 역방향, 션트형, 및 헤드-투-헤드 정류기를 형성할 수 있다.
V. 실시예
TiO2 내 산소 공극은 넓은 대역-갭 산화물을 전기적으로 전도성인 도핑된 반도체로서 동작하는 물질로 변환하는 n-형 도펀트로서 동작한다. 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 스위치(100)의 두 계면에서 도펀트 농도는 스위치(100)를 네 가지 정류기 중 하나로서 동작하도록 구성할 때 중요한 역할을 한다. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따라서 계면의 특성을 조절할 때 산소 공극 역할을 입증하기 위해 구성된 네 개의 개별 스위치(501-504)의 등각도를 도시한다. 다시 산소 공극을 조절하면 크로스바 접합을 통해 전자의 흐름을 제어하게 된다. 도 5의 스위칭 소자(501-504)는 이산화티타늄 층(514)에 의해 수직으로 분리되어 있는 Pt 제1 전극(505-508) 및 Pt 제2 전극(509-512)으로 구성된다. 제1 전극 쌍(505-506 및 507-508)은 대략 1 ㎜ 만큼 분리되어 있으며, 제2 전극 쌍(510-511 및 509-512)도 역시 대략 1 ㎜ 만큼 분리되어 있다. 이산화티타늄 층(514)은 얇은, 대략 4 nm 두께로 이루어진 이중 층이고, TiO2 층(516)은 소수의 산소 공극을 갖고 두꺼운 대략 120 nm 두께이고, TiO2 -x 층(518)은 훨씬 많은 산소 공극을 갖는다. TiO2 -x 층은 n-형 반도체로 홀 측정(Hall measurement)에 의해 구한 약 1019 cm3의 캐리어 농도를 가지며, TiO2 층은 거의 화학양론적이다.
어떤 전극(505-512) 쌍이라도 도 5b에 도시된 바와 같은 I-V 곡선을 얻을 수 있는 스위치를 형성한다. I-V 곡선(520)은 제2 전극(510 및 511)에 대응하며 Pt/TiO2-x 계면에서 두 오믹형 장벽을 나타낸다. 전극(510 및 511) 사이의 저항이 낮다는 사실은 벌크 산화물이 전도성이라는 것을 나타낸다. 이와 대조적으로, I-V 곡선(522)은 두 제1 전극(505 및 506) 사이에서 전자의 전송에 대응하며 대칭적이고 비선형적이며, Pt/TiO2 계면에서 두 쇼트키형 장벽을 나타낸다. I-V 곡선(520)의 전류보다 I-V 곡선(522)의 전류가 훨씬 낮은 것은 벌크 저항이 본질적으로 이들 두 경우에서 같기 때문에 스위치를 통한 전자의 전송을 지배하는 쇼트키형 계면임을 암시한다. 정류 I-V 곡선(524)은 전극(506 및 510)에 대응하며 이에 대응하는 디바이스가 Pt/TiO2 계면에서 쇼트키형 장벽을 갖고 Pt/TiO2 -x 계면에서 오믹형 장벽을 갖는다는 사실과 일치한다. 제1 및 제2 전극(506 및 510) 사이의 전류 레벨이 제1 전극(505 및 506)의 전류 레벨보다 낮은 이유에 대한 한가지 설명은 전자의 경우에 유효한 접합 표면적이 훨씬 작다는 것에 기인한다. 도 5b에서 삽화(526)는 제1 및 제2 전극(506 및 510) 사이에 형성된 스위치의 가역 스위칭 특성을 보여주는 로그 스케일 I-V 데이터이다.
스위치의 초기 저항 상태, 즉, 산소 공극 프로파일은 상당한 정도로 스위치의 정류 상태를 결정한다. 실제로, 산소 공극 프로파일은 활성 영역의 구조 및/또는 제조 조건, 이를 테면, 증착 가스 종류를 설계하고, 분위기 열처리하고, 계면에서 순수 금속(예컨대, Ti)을 삽입함으로써 제어될 수 있다. 다음의 설명은 실제 스위치에서 세 가지 종류의 스위칭을 모두 실현한 결과를 제공한다.
다음의 실험 결과에 수반하는 회로 모델은 멤리스터(memristor)이다. "멤리스터" 라는 용어는 "메모리 레지스터"의 준말이다. 멤리스터는 전류와 전압의 시간 적분들 간의 함수적인 관계를 유지하는 수동형 2단자 회로 소자의 부류이다. 이것은 장치의 멤리스턴스 기능에 따라서 저항의 변화를 가져온다. 특히, 제작된 멤리스터는 전류를 스위칭하는데 유용한 저항을 제어할 수 있게 한다. 멤리스터는 소위 "멤리스틱적 시스템"의 특별한 사례로, 뉴런의 발화와 같은 어떤 실험적으로 관측된 현상에 유용한 수학적 모델의 부류이다. 멤리스터의 감응도는 저항, 커패시터, 및 인덕터와 유사한 기본적인 회로 변수에만 기반으로 할 뿐이다. 이러한 더 많은 유사 소자들과 달리, 필연적으로 비선형 멤리스터는 각종 시변 함수들(time-varying functions) 중 어떤 시변 함수로 기술될 수 있다. 그 결과, 멤리스터는 선형적인 시간에 무관한 회로 모델에 속하지 않는다. 선형적인 시불변(time-invariant) 멤리스터는 단순히 종래의 저항에 불과하다.
멤리스터는 두 단자 사이의 자속
Figure 112011014110812-pct00012
이 디바이스를 통과하는 전하량
Figure 112011014110812-pct00013
의 함수인 2단자 소자로서 공식적으로 규정된다. 각각의 멤리스터는 다음과 같이 전하에 따른 자속의 전하-종속 변화율을 기술하는 멤리스틱 함수로 특징지어진다.
Figure 112011014110812-pct00014
자속
Figure 112011014110812-pct00015
이 전압의 시간 적분이고, 전하
Figure 112011014110812-pct00016
는 전류의 시간 적분인 패러데이의 유도 법칙에 기반하여, 멤리스턴스는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011014110812-pct00017
따라서, 멤리스턴스는 단순히 전하-종속 저항에 불과하다.
Figure 112011014110812-pct00018
가 일정할 때, 멤리스턴스는 옴의 법칙 R=V/I으로 줄어든다.
Figure 112011014110812-pct00019
가 일정하지 않을 때,
Figure 112011014110812-pct00020
와
Figure 112011014110812-pct00021
가 시간에 따라 변하기 때문에 위 방정식은 성립하지 않는다. 시간의 함수로서 전압을 풀면 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011014110812-pct00022
이 방정식은 전하가 변하지 않는 한 멤리스턴스가 전류와 전압 사이의 선형 관계를 규정한다는 것을 나타낸다. 그러나, 제로가 아닌 전류는 순간적으로 변하는 전하를 암시하고 있다. 교류는
Figure 112011014110812-pct00023
의 최대 변화가
Figure 112011014110812-pct00024
의 변화를 일으키지 않는 한 순 전하의 이동 없이 측정가능한 전압을 유도함으로써 회로 동작에서 선형적으로 종속함을 나타낼 수 있다. 더욱이, 멤리스터는 어떠한 전류도 인가되지 않을 때 스태틱(static) 상태이다.
Figure 112011014110812-pct00025
및
Figure 112011014110812-pct00026
가 0일 때,
Figure 112011014110812-pct00027
는 일정하다. 이것은 메모리 효과의 본질이다.
도 6은 도 7 내지 도 9를 참조하여 아래에서 기술된 실험 결과를 얻기 위해 사용된 스위치(600)를 일반적으로 표현한 등각도를 도시하며 도 7 내지 도 9에 나타난 결과를 기술할 때 참조로 제공된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 스위치(600)는 Pt의 제1 전극(604)과 Pt의 제2 전극(606)의 교차점 사이에 배치된 TiO2의 활성 영역(602)을 포함한다. 제1 계면(608) 및 제2 계면(610)에서 비대칭 산소 공극 농도를 갖도록 스위치(600)를 제조하였다. 전기적 측정을 수행할 때, 제2 전극(606)을 접지시켰다.
도 7 내지 도 9는 스위치(600)로 표시한 Pt/TiO2/Pt 스위치에 대해 본 발명의 실시예에 따른 션트, 오픈, 및 반전 스위칭에 대응하는 실험 결과를 나타낸다. 도 7 내지 도 9에서, 도 7a의 루프(700)와 같은 루프는 부(negative) 및 정(positive) 스위칭 전압 스위프를 나타낸다. 각 스위칭 전압 스위프 이후, 스위칭 후 I-V를 체크하여 디바이스의 정류 상태를 측정하였다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 대략 50x50 nm2 의 Pt/TiO2/Pt 스위치를 션트 스위칭하여 얻은 실험 결과를 도시한다. 제1 계면(608)은 스위칭 동안 오믹형을 유지하는 제2 계면(610)보다 적은 산소 공극을 갖는다. 활성 부분은 스위치(600)의 전자 이송을 지배하는 제1 계면(608)이다. 도 7a에서, 제1 전극(604)에 인가된 약 1.4 V의 정 바이어스(701)는 산소 공극을 밀어내어 제1 계면(608)으로부터 제2 계면(610)을 향하게 하여 디바이스를 "오프"로 스위치한다. "오프" 상태의 스위치(600)는 도 7a에서 정류 I-V 곡선(702)으로 특징지어진다. 제1 전극(608)에 인가된 대략 -1.8 V의 부 바이어스(703)는 산소 공극을 제1 계면(608)으로 끌어당기고, 제1 계면(608)에서 정류기를 션트하고 디바이스를 I-V 곡선(704)을 특징으로 하는 더 높은 컨덕턴스 상태로 스위치한다. 바이어스의 길이 및 크기에 따라서, 디바이스는 실제로 I-V 곡선(705-707)으로 표시한 다수의 "온" 상태 및 I-V 곡선(708-710)으로 표시한 다수의 "오프" 상태로 스위치될 수 있다. 처음 두 개의 "온" 부전압 스위프와 비교하면, 마지막 두 개의 "온" 스위프는 디바이스를 실제로 도 7a에서 I-V 곡선(709 및 710)으로 표시한 더 낮은 전도성의 "온" 상태로 스위치한다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 션트 스위칭 동안 스위치의 스위칭 특성을 나타내는 회로도를 도시한다. 도 7b의 회로도에서, 정류기(712)는 극성을 일 단부에서 바 형태로 표시한 멤리스터(714)와 평행하다. 바를 갖는 멤리스터(714)의 단부에 인가된 정 바이어스는 멤리스터(714)를 "온"으로 스위치하고 정류기(712)를 션트한다. 반대의 바이어스는 멤리스터(714)를 "오프"로 스위치하여 정류기(712)를 원래대로 한다. "온/오프" 컨덕턴스 비율은 마이크로스케일 및 나노스케일 디바이스 모두에서 약 103 인 것으로 판명되었으며, 반면 나노스케일 디바이스는 마이크로스케일 디바이스의 전류보다 낮은 전류 레벨의 약 100 배에서 동작될 수 있다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 션트 스위칭에 대응하는 I-V 곡선의 플롯을 도시한다. I-V 곡선(716)은 "오프" 상태에 있는 스위치에 해당하며, I-V 곡선(718)은 "온" 상태에 있는 스위치에 해당한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 대략 5x5 ㎛2 의 Pt/TiO2/Pt 스위치를 오픈 스위칭하여 얻은 실험 결과를 나타낸다. 도 8a는 오픈 스위칭 결과의 플롯을 도시한다. 두 계면(608 및 610)은 비대칭 도펀트 분포를 갖는다. (상부 전극을 증착하기 전에 공기에 노출되어 더 많이 산화된) 저항이 더 많은 제 1 계면(608)은 스위칭 동안 쇼트키형 또는 정류상태를 유지하며 활성 부분은 제2 계면(610)이다. 약 -8 V의 부전압 바이어스(801)를 제1 전극(604)에서 제2 전극(606)에 가하면 정(positive)으로 대전된 산소 공극을 제2 계면(610)으로부터 멀리 밀어내어 디바이스를 "오프"로 스위치한다. I-V 곡선(802-804)은 "오프" 상태가 저항성임을 나타낸다. "오프" 스위프 곡선(808-810)에서 반시계 방향을 갖는 작은 루프(805-807)가 있는데, 이는 제2 계면(610)의 더 큰 "오프" 스위칭 동안 아주 작은 "온" 스위칭을 제1 계면(608)에 반영하는 것이다. 약 5V의 반대 극성의 바이어스(811)는 제2 계면(610)을 오믹형 장벽으로 스위치하며 디바이스의 전기적 이송은 제1 정류 계면(608)에 의해서만 제한되어, "온" 상태 동안 정류 I-V 곡선(812 및 813)을 만든다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 오픈 스위칭 동안 스위치의 스위칭 특성을 나타내는 회로도를 도시한다. 이러한 오픈 스위칭의 등가 회로는 진성 정류기를 직렬로 추가한 것(이것은 메모리 아키텍처에서 크로스토크를 제한하기 위해 다이오드를 각 크로스바 교차점 메모리 셀에 추가하는데 효과적인 수단인 것으로 보인다)을 제외하고는 션트 스위칭의 회로와 유사하다. 또한, 이러한 형태의 디바이스에 필요한 동작 전력은 낮다. 도 4b에서 마이크로스케일 장치를 스위치하는데 사용된 10-6 A의 전류 및 이 디바이스에서 관측된 확장성(scalability)을 고려해 볼 때 나노스케일 디바이스에는 10-9 A의 전류가 적합한 것으로 예측할 수 있다. 이러한 형태의 스위칭은 또한 높은 재현성(reproducibility)을 보인다.
도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 오픈 스위칭에 대응하는 I-V 곡선의 플롯을 도시한다. "온" 및 "오프" 상태에 대한 I-V 곡선의 로그 스케일은 도 8c에서 대략 103 의 컨덕턴스 비율을 보이는 것으로 도시된다. I-V 곡선(814)은 "온" 상태에 대응하며 I-V 곡선(816)은 "오프" 상태에 대응한다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 대략 50x50 nm2 의 Pt/TiO2/Pt 스위치를 반전 스위칭하여 얻은 실험 결과를 나타낸다. 도 9a는 반전 스위칭 결과의 플롯을 도시한다. 활성 영역(602) 내 산소 공극의 분포는 대칭적이며 산소 공극은 두 계면(608 및 610)에서 변하고 대략 같은 시간에 발생하지만 반대 방향으로 발생한다. 약 4 V의 정 바이어스(901)가 제1 전극(604)에 인가될 때, 산소 공극은 제1 계면(608)으로부터 멀리 밀려나서 제2 계면(610)에 모이게 되어, 제1 계면(608)에서 보다 더 많은 산소 공극이 제2 계면(610)에 모이게 되는 결과를 가져온다. 스위치는 체크용 I-V 곡선(902 및 904)으로 도시된 바와 같은 어떤 정류 방향을 갖는 정류 상태로 스위치된다. 약 -4 V의 부 바이어스(905)를 인가하면 활성 영역(602) 전반의 산소 공극 프로파일이 반전되며 스위치를 I-V 곡선(906 및 908)으로 표시한 반대 정류 방향의 저항 상태로 스위치한다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 반전 스위칭 동안 스위치의 스위칭 특성을 나타내는 회로도를 도시한다. 이 회로도는 도 7b에 도시된 바와 같이 두 개의 헤드-투-헤드 션트 스위치를 직렬로 포함함으로써 성취될 수 있다.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 반전 스위칭에 대응하는 I-V 곡선의 플롯을 도시한다. I-V 곡선(910 및 912)은 각기 순방향 및 역방향 정류 상태를 나타낸다.
산소 공극은 전술한 세 가지 스위칭 형태를 개념적으로 입증하기 위해 사용된 유일한 도펀트이다. 그러나, 원리적으로, 이동도(mobility), 전하(charge), 및 확산도(diffusivity)와 같은 상이한 특성을 갖는 다른 도펀트(예컨대, C 및 N)가 시스템에 도입되어 기생하는 형태로 비대칭 디바이스를 구성할 수 있다. 디바이스가 대칭적이고 같지만 두 계면에서 반대로 변하는 것이 이러한 형태의 스위칭에 필요하기 때문에 반전 스위치에는 산소 공극과 같은 단지 하나의 도펀트이면 충분할 수 있다. 오픈 스위칭 및 션트 스위칭의 경우, 스위칭하는 동안 계면에서의 변동을 최소화하기 위해 하나의 계면이 션트 동안 과하게 환원되거나 또는 오픈 동안 과하게 산화된다. 변동이 없는 계면에서의 산소 공극에 비해 훨씬 적은 이동성을 갖는 상이한 도펀트가 더 좋은 목적으로 쓰일 것이다.
전술한 설명은 설명 목적상 본 발명의 완벽한 이해를 제공하고자 특정한 명명법을 사용하였다. 그러나, 당업자라면 본 발명을 실시하는데는 특정한 세부사항이 필요하지 않음이 자명해질 것이다. 본 발명의 특정 실시예의 전술한 설명은 예시적이며 설명 목적으로 제시된다. 전술한 설명은 본 발명의 모든 것을 망라하려는 것이 아니고 또는 본 발명을 개시된 그대로의 형태로 제한하려는 것은 아니다. 자명하게, 전술한 개시내용에 비추어 많은 변형과 변경이 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리 및 그 실제 응용예를 가장 잘 설명하기 위해 도시되고 기술되며, 그럼으로써 당업자들이 본 발명과 각종 실시예를 예상되는 특별한 사용에 적합한 것으로 다양한 변형예를 갖게 가장 잘 이용하게 해준다. 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위 및 이들의 등가물로 규정하고자 한다.

Claims (15)

  1. 전자 스위치(100)로서,
    제1 전극(104);
    제2 전극(106); 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고 적어도 하나의 도펀트(dopant)를 포함하는 활성 영역(102)
    을 포함하며,
    상기 스위치는, 상기 스위치를 통해 전하 캐리어들의 흐름을 제어하기 위해 상기 활성 영역 내에서 상기 적어도 하나의 도펀트를 위치시키도록 미리결정된 크기 및 극성의 전압을 인가함으로써 순방향 정류기(112), 역방향 정류기(113), 헤드-투-헤드(head-to-head) 정류기(114), 또는 션트형(shunted) 정류기(115)로서 동작하도록 재구성될 수 있는 전자 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성 영역(102)은,
    상기 스위치를 통해 상기 전하 캐리어들의 흐름을 제어하는 상기 도펀트를 이송하기 위한 적어도 하나의 물질을 포함하는 적어도 하나의 일차 활성 영역; 및
    상기 적어도 하나의 일차 활성 영역에 대해 상기 도펀트의 소스/싱크(source/sink)를 제공하기 위한 적어도 하나의 물질을 포함하는 이차 활성 영역을 더 포함하는 전자 스위치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 일차 활성 영역은 전자적으로 반도체성이거나, 전자적으로 절연성이거나, 또는 약 이온 전도성인 물질을 더 포함하는 전자 스위치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 일차 활성 영역은 상기 적어도 하나의 일차 활성 영역 내외로 드리프트를 통해 주입되는 도펀트들의 함수로서 제1 전도도에서 제2 전도도로 가역적으로 변화될 수 있는 전기 전도도를 갖는 막을 더 포함하고, 상기 제1 전도도는 상기 제2 전도도보다 낮은, 전자 스위치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 이차 활성 영역의 적어도 하나의 도펀트는 상기 적어도 하나의 일차 활성 영역의 전기 전도도를 제1 전기 전도도에서 제2 전기 전도도로 또는 제2 전기 전도도에서 제1 전기 전도도로 변화시키도록 선택되고, 상기 제1 전기 전도도는 상기 제2 전기 전도도보다 낮은, 전자 스위치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도펀트는 이온화된 극간(ionized interstitial) 또는 대체형 불순물 원자들, 양이온 도너 종(cation donor species), 음이온 공극(anion vacancies), 및 음이온 엑셉터 종으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전자 스위치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 도펀트는 수소, 알칼리 및 알칼리 토금속 양이온(alkaline earth cations), 전이 금속 양이온(transition metal cations), 희토류금속 양이온(rare earth cations), 산소 음이온 또는 공극, 칼코게나이드 음이온(chalcogenide anions) 또는 공극, 질소 음이온 또는 공극, 닉타이드(pnictide) 음이온 또는 공극, 또는 할로겐화물 음이온 또는 공극으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전자 스위치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 일차 활성 영역에 대한 적어도 하나의 물질 및 상기 이차 활성 영역에 대한 물질은,
    (1) 전이 금속, 희토류 금속 및 알칼리 토금속의 산화물, 황화물, 셀렌화물(selenides), 질화물, 인화물, 비소화물, 및 브롬화물(bromides);
    (2) 리스트(1)로부터의 화합물들 서로와의 합금; 및
    (3) 적어도 두 개의 상이한 금속 원자가 적어도 하나의 음전기 원소(electronegative element)와 혼합된 혼합 화합물
    로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전자 스위치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 일차 활성 영역에 대한 적어도 하나의 물질 및 상기 이차 활성 영역에 대한 물질은,
    티타네이트(titanates), 지르코네이트(zirconates), 하프네이트(hafnates), 이들 3개의 산화물들이 쌍으로 또는 3개 모두가 함께 존재하는 합금, 및 ABO3 형태의 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 여기서 A는 적어도 하나의 2가 원소(divalent element)를 나타내며 B는 티타늄, 지르코늄, 및 하프늄 중 적어도 하나를 나타내는 전자 스위치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 일차 활성 영역에 대한 적어도 하나의 물질 및 상기 이차 활성 영역에 대한 물질은,
    TiO2/TiO2 -x;
    ZrO2/ZrO2 -x;
    HfO2/HfO2 -x;
    SrTiO2/SrTiO2 -x;
    GaN/GaN1 -x;
    CuCl/CuCl1 -x; 및
    GaN/GaN:S
    의 리스트로부터 선택되는 전자 스위치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 두 전극들은 금속이거나, 금속 화합물이거나, 또는 상기 전극들 중 한 전극은 금속이고 상기 전극들 중 다른 전극은 반도체인 전자 스위치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 활성 영역 내에서 상기 도펀트를 위치시키도록 미리결정된 크기 및 극성의 전압을 인가하는 것은, 상기 도펀트를 상기 활성 영역의 특정 영역들 내로 또는 상기 특정 영역들로부터 멀어지도록 드리프트시키기 위해 미리결정된 크기 및 극성의 전압을 인가하는 것을 더 포함하는 전자 스위치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 도펀트의 위치를 전극/활성 영역 계면 쪽으로 변경시키면 상기 계면이 오믹형(Ohmic-like)으로 되고, 상기 도펀트의 위치를 전극/활성 영역 계면으로부터 멀어지도록 변경시키면 상기 계면이 쇼트키형(Schottky-like)으로 되는 전자 스위치.
  14. 나노와이어 크로스바(300, 400)로서,
    평행한 나노와이어들의 제1 층(302, 404);
    상기 제1 층의 나노와이어 위에 놓인 평행한 나노와이어들의 제2 층(304, 406); 및
    상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 배치된 중간층
    을 포함하고,
    적어도 하나의 나노와이어 교차점(412-415)에서, 제1 전극으로 작동하는 상기 제1 층, 제2 전극으로 작동하는 상기 제2 층, 및 활성 영역으로 작동하는 상기 중간층에 의해 제1항에 따른 전자 스위치가 형성되는, 나노와이어 크로스바.
  15. 삭제
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