EC-transistor에 대하여 - 1 작동 원리

제가 석사기간 중 진행했던 연구 중 하나는 EC-transistor(Electro Chemical transistor)였습니다. 정식 명칭이 따로 있는지는 모르겠지만, 저희 연구실에서는 이 이름으로 불렀어요;; RRAM과 마찬가지로 emerging device 중 하나이며, probe가 3개여서 3-terminal device라고도 불렸습니다. 그러면 EC-transistor에 대해 알아보겠습니다.

 

- 구조

먼저 구조를 살펴볼까요??

 

EC-transistor의 구조

 

RRAM과는 많이 다르죠?? EC-transistor는 일반적인 transistor와 마찬가지로 Gate, Source 그리고 Drain이 있습니다. 그러면 나머지 layer들에 대해 설명드리겠습니다.

 

1. Cathodic oxide

Cathodic oxide는 source, drain 간의 저항 측정을 통해 current 측정을 통해 실제 소자의 저항 변화를 확인하는 oxide layer입니다. WOx(tungsten oxide)를 사용하며 이는 cation(양이온)과의 chemical interaction에 따른 electrical property가 변하는 특징을 이용한 것입니다. 자세한 얘기는 뒷부분에 계속하도록 하겠습니다.

 

2. Electrolyte

Electrolyte는 전기적으로는 절연체이지만 CV test(Cyclic Voltammetry) 같은 redox reaction(Reduction - oxidation, 산화환원 반응)에서 이온들이 이동하는 layer입니다. 실제 operation에서는 Gate의 전압을 가할 때 생기는 electrical field를 통해 cation들이 이동하는 통로로 사용됩니다, 저희는 SiO₂를 사용했습니다.

 

3. Anodic oxide

WOx(Cathodic oxide)와 Electrolyte 사이의 interface에서 chemical reaction이 일어나면 반대쪽 interface에서도 chemical reaction이 일어나야 한다고 생각해서 넣은 layer입니다. 없어도 동작은 되는 데 있으면 확실히 안정성이 높아지더라구요, NiO를 사용했습니다.

 

- 작동 mechanism

WOx는 cation과의 reation에 따라 저항이 변한다고 말씀드렸죠? 실제 어떤 과정을 통해 변하는지 알아보겠습니다.

 

EC-transistor operation mechanism (좌) Potentiation (우) Depression

 

EC-transistor는 소자에 pulse를 가해서 작동시킵니다. 편의상 RRAM과 마찬가지로 저항이 낮아지는 과정을 potentiation, 저항이 높아지는 과정을 depression이라고 naming 하겠습니다.

 

1. Potentiation

Gate에 + 전압의 pulse를 가하면 Electrolyte에 있던 cation들이 WOx로 이동하게 됩니다. 그러면 Electrolyte와 WOx 사이에서 다음과 같은 반응이 일어납니다.

 

 

여기서는 cation의 예시로 H⁺를 넣었는데요, 논문을 찾아보면 Li⁺를 사용하는 경우를 많이 봤습니다. 쨋든, cation이 WOx에 삽입되면 W이 +6에서 +5로 변하게 됩니다. 이 W⁵로 인해서 WOx의 optical, electrical 특성이 변합니다. 투명했던 박막이 불투명하게, 그리고 고저항이 저저항으로 변합니다. 

 

 

보이시나요?? 이렇게 색깔이 변하는 특성 때문에 smart window 같은데도 사용한다고 합니다.

 

2. Depression

Gate에 - 전압의 pulse를 가하면 WOx에 있던 cation이 빠져나가고 고저항 상태로 바뀌게 됩니다.

 

 

이러한 저항의 변화를 Source~Drain(SD) 사이의 저항 측정을 통해 확인합니다. 그러니까 vertical 한 Gate pulse로 인한 WOx의 변화를 lateral 한 SD 저항 측정을 통해 확인하는 거죠.