• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• 제14권3호
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• pp.356-363
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• 2014

In this paper, we propose a new memristor-based crossbar array architecture, where a single memristor array and constant-term circuit are used to represent both plus-polarity and minus-polarity matrices. This is different from the previous crossbar array architecture which has two memristor arrays to represent plus-polarity and minus-polarity connection matrices, respectively. The proposed crossbar architecture is tested and verified to have the same performance with the previous crossbar architecture for applications of character recognition. For areal density, however, the proposed crossbar architecture is twice better than the previous architecture, because only single memristor array is used instead of two crossbar arrays. Moreover, the power consumption of the proposed architecture can be smaller by 48% than the previous one because the number of memristors in the proposed crossbar architecture is reduced to half compared to the previous crossbar architecture. From the high areal density and high energy efficiency, we can know that this newly proposed crossbar array architecture is very suitable to various applications of analog neuromorphic computing that demand high areal density and low energy consumption.

• ETRI Journal
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• 제46권5호
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• pp.865-877
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• 2024

This paper presents a membrane computation error-minimized mixed-mode spiking neural network (SNN) crossbar array. Our approach involves implementing an embedded dummy switch scheme and a mid-node pre-charge scheme to construct a high-precision current-mode synapse. We effectively suppressed charge sharing between membrane capacitors and the parasitic capacitance of synapses that results in membrane computation error. A 400 × 20 SNN crossbar prototype chip is fabricated via a 28-nm FDSOI CMOS process, and 20 MNIST patterns with their sizes reduced to 20 × 20 pixels are successfully recognized under 411 ㎼ of power consumed. Moreover, the peak-to-peak deviation of the normalized output spike count measured from the 21 fabricated SNN prototype chips is within 16.5% from the ideal value, including sample-wise random variations.

• 한국재료학회지
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• 제27권1호
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• pp.32-38
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• 2017

Insulating $TaN_x$ films were grown by plasma enhanced atomic layer deposition using butylimido tris dimethylamido tantalum and $N_2+H_2$ mixed gas as metalorganic source and reactance gas, respectively. Crossbar devices having a $Pt/TaN_x/Pt$ stack were fabricated and their electrical properties were examined. The crossbar devices exhibited temperature-dependent nonlinear I (current) - V (voltage) characteristics in the temperature range of 90-300 K. Various electrical conduction mechanisms were adopted to understand the governing electrical conduction mechanism in the device. Among them, the PooleFrenkel emission model, which uses a bulk-limited conduction mechanism, may successfully fit with the I - V characteristics of the devices with 5- and 18-nm-thick $TaN_x$ films. Values of ~0.4 eV of trap energy and ~20 of dielectric constant were extracted from the fitting. These results can be well explained by the amorphous micro-structure and point defects, such as oxygen substitution ($O_N$) and interstitial nitrogen ($N_i$) in the $TaN_x$ films, which were revealed by transmission electron microscopy and UV-Visible spectroscopy. The nonlinear conduction characteristics of $TaN_x$ film can make this film useful as a selector device for a crossbar array of a resistive switching random access memory or a synaptic device.

• 한국통신학회논문지
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• 제22권5호
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• pp.956-966
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• 1997

단일 스테이지 스위칭 구조를 갖는 홀로그래픽 크로스바에 의한 동적인 자유공간 광연결을 실험하였다. 동적인 동작을 위해 전기적인 주소지정방식의 액정 공간광변조기와 회절격자가 매트릭스-매트릭스 크로스바에서의 고정적인 홀로그램을 대신하여 사용되었다. 회절격자는 규칙적인 셀들로 이루어졌으며 각 셀마다 서로 다른 위상지연 정도를 갖는다. 이러한 화소형 위상격자 배열을 공간광변조기에 띄어 입력빔의 방향으로 편향시키거나 여러 빔으로 분리한 후 원하는 위치로 빔의 방향을 조종한다. 이러한 실험결과 컴퓨터와 공간광변조기, 위상형 회절격자를 이용하여 자유공간 광연결이 동적으로 수행됨을 보였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.306.2-306.2
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• 2014

전자기기의 휴대성과 이동성이 강조되고 있는 현대사회에서 비휘발성 메모리는 메모리 산업에 있어 매우 매력적인 동시에 커다란 잠재성을 지닌다. 이미 공정의 한계에 부딪힌 Flash 메모리를 대신하여 10nm 이하의 공정이 가능한 상변화 메모리(Phase-Change Memory, PRAM), 스핀 주입 자화 반전 메모리(Spin Transfer Torque-Magnetic RAM, STT-MRAM), 저항 변화 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)가 차세대 비휘발성 메모리 후보로서 거론되고 있으며, 그 중에서도 ReRAM은 빠른 속도와 낮은 소비 전력, CMOS 공정 호환성, 그리고 비교적 단순한 3차원 적층 구조의 특성으로 인해 활발히 연구되고 있다. 특히 최근에는 질화물 또는 질소를 도핑한 산화물을 저항변화 물질로 사용하는 ReRAM이 보고되고 있는데, 이들은 동작전압이 낮을 뿐만 아니라 저항 변화(Resistive Switching, RS) 과정에서 일어나는 계면 산화를 방지할 수 있으므로 ReRAM의 저항 변화 재료로서 각광받고 있다. 그러나 Cell 단위의 ReRAM 소자를 Crossbar Array 구조에 적용시켰을 때 주변 Cell과의 저항 상태 차이로 인해 전류가 낮은 저항 상태(LRS)의 Cell로 흘러 의도치 않은 동작을 야기한다. 이와 같이 누설 전류(Leakage Current)로 인한 상호간의 간섭이 일어나는 Cross-talk 현상이 존재하며, 공정의 간소화와 집적도를 유지하면서 이 문제를 해결하는 것은 실용화하기에 앞서 매우 중요한 문제이다. 따라서, 본 논문에서는 Read 동작 시 발생하는 Cell과 Cell 사이의 Cross-talk 문제를 해결하기 위해 자가 정류 특성(Self-Rectifying)을 가지는 실리콘 질화물/알루미늄 질화물 이중층(Si3N4/AlN Bi-layer)으로 구성된 ReRAM 소자 구조를 제안하였으며, Sputtering 방법을 이용하여 제안된 소자를 제작하였다. 전압-전류 특성 실험결과, 제안된 구조에 대한 에너지 밴드 다이어그램 시뮬레이션 결과와 동일하게 Positive Bias 영역에서 자가 정류 특성을 획득하였고, 결과적으로 Read 동작 시 발생하는 Cross-talk 현상을 차단할 수 있는 결과를 확보하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제26권1호
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• pp.1-7
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• 2019

Recently, memristor (anion-based memristor) is referred to as the fourth circuit element which resistance state can be gradually changed by the electric pulse signals that have been applied to it. And the stored information in a memristor is non-volatile and also the resistance of a memristor can vary, through intermediate states, between high and low resistance states, by tuning the voltage and current. Therefore the memristor can be applied for analogue memory and/or learning device. Usually, memristive behavior is easily observed in the most transition metal oxide system, and it is explained by electrochemical migration motion of anion with electric field, electron scattering and joule heating. This paper reports the latest trends and issues of anion-based memristor.

• 전자공학회논문지
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• 제49권12호
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• pp.209-218
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• 2012

최근 무어의 법칙을 연장시킬 시스템 집적 기술로서 Field Programmable Stateful Logic Array (FPSLA)가 제안되었다. 본 논문은 FPSLA의 설계 자동화 절차를 확립하고 논리 합성, 동기화, 물리적 매핑, 자동 배치 등의 접근 방법을 최초로 제시한다. 특히, 동기화를 통해 배치를 1차원 문제로 축소한 후 비선형 최적화 기법을 개량한 개략 배치 모델 및 하향식 계층적 2분법을 이용한 배치 적법화 알고리즘을 제안하였다. 또한, 제안된 모델 및 알고리즘을 소프트웨어로 구현하여 ACM/SIGDA 벤치 마크 예제에 적용함으로써 그 유효성을 입증하였다. 이 소프트웨어에는 Fanout 수만큼 출력 상태를 같은 단의 멤리스터성 스위치에 복사해야 하는 FPSLA의 특성을 고려하여 최적화 단계 별로 넷을 하이퍼에지로 통합했다가 다시 에지로 분리하는 기법이 제안되었으며 약 18.4%의 추가적 최적화를 이룩했다. FPSLA의 출력 상태 복사는 논리 단 일부에 셀 밀도가 집중되는 문제를 노출했으며 단위 논리 게이트의 Fanin을 제한하는 기법으로 18.5% 감소 효과를 얻었다. FPSLA의 실용성 확보를 위해서는 우선 논리 합성 시 Fanin의 수가 일부 단에 집중되지 않도록 제약하는 방안을 개발하여야 한다. 또한, FPSLA 패브릭 구조를 이식하기 위해 대칭성이 감소된 나노와이어 크로스바가 형성하는 복잡한 그래프 상에서 수행되어야 하는 자동 배선의 효율성 연구도 필요하다. 이러한 툴 개발은 설계 자동화 자체뿐만 아니라 FPSLA의 패브릭 구조 개선에 필요한 실험에 유용한 평가 도구로서도 큰 역할을 할 것이다.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제24권11호
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• pp.855-858
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• 2011

In this paper, in order to suppress unwanted current paths originating from adjacent cells in a passive crossbar array based on resistive random access memory (RRAM) without extrinsic switching devices, 1-diode type RRAM which consists of a 0.2% chromium-doped strontium titanate (Cr-$SrTiO_3$) film deposited on a silicon substrate, was proposed for high packing density, and intrinsic rectifying characteristics from the current versus voltage characteristics were successfully demonstrated.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.307-307
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• 2014

정보화 시대로 접어들면서 동일한 공간에 더 많은 정보를 저장할 수 있고, 보다 빠른 동작이 가능한 비휘발성 메모리 소자에 대한 요구가 증가하고 있다. 하지만, 최근 비휘발성 메모리 소자 관련 연구보고에 따르면, 메모리 소자의 소형화 및 직접화 측면에서, 전하 저장을 기반으로 하는 기존의 Floating-Gate(FG) Flash 메모리는 20 nm 이하 공정에서 한계가 예측 되고 있다. 따라서, 이러한 FG Flash 메모리의 한계를 해결하기 위해, 기존에 FET 기반의 FG Flash 구조와 같은 3 terminal이 아닌, Diode와 같은 2 terminal로 동작이 가능한 ReRAM, PRAM, STT-MRAM, PoRAM 등 저항변화를 기반으로 하는 다양한 종류의 차세대 메모리 소자가 연구되고 있다. 그 중, 저항 변화 메모리(ReRAM)는 CMOS 공정 호환성, 3D 직접도, 낮은 소비전력과 빠른 동작 속도 등의 우수한 동작 특성을 가져 차세대 비휘발성 메모리로 주목을 받고 있다. 또한, 상하부 전극의 2 terminal 만으로 소자 구동이 가능하기 때문에 Passive Crossbar-Array(CBA)로 적용하여 플래시 메모리를 대체할 수 있는 유력한 차세대 메모리 소자이다. 하지만, 이를 현실화하기 위해서는 Passive CBA 구조에서 발생할 수 있는 Read Disturb 현상, 즉 Word-Line과 Bit-Line을 통해 선택된 소자를 제외하고 주변의 다른 소자를 통해 흐르는 Sneak Leakage Current(SLC)를 차단하여 소자의 메모리 State를 정확히 sensing하기 위한 연구가 선행 되어야 한다. 따라서, 현재 이러한 이슈를 해결하기 위해서, 많은 연구 그룹에서 Diodes, Threshold Switches와 같은 ReRAM에 Selector 소자를 추가하는 방법, 또는 Self-Rectifying 특성 및 CRS 특성을 보이는 ReRAM 구조를 제안 하여 SLC를 차단하고자 하는 연구가 시도 되고 있지만, 아직까지 기초연구 단계로서 아이디어에 대한 가능성 정도만 보고되고 있는 현실 이다. 이에 본 논문은 Passive CBA구조에서 발생하는 SLC를 해결하기 위한 새로운 아이디어로써, 본 연구 그룹에서 선행 연구로 확보된 안정적인 저항변화 물질인 SiN를 정류 특성을 가지는 n-Si/Ti 기반의 Schottky Diode와 결합함으로써 기존의 CBA 메모리의 Read 동작에서 발생하는 SLC를 차단 할 수 있는 1SD-1R 구조의 메모리 구조를 제작 하였으며, 본 연구 결과 기존에 문제가 되었던 SLC를 차단 할 수 있었다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제27권1호
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• pp.25-29
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• 2020

광화학증착법 (PMOD; photochemical metal-organic deposition)을 이용하여 photoresist 및 etching 공정없이 pattern 된 TiO_x resistive switching (RS) 소자를 제작 및 그 특성을 평가하였다. Ti(IV) 2-ethylhexanoate를 출발물질로 사용하였으며 UV 노출시간 10 min에 광화학반응이 완료됨을 FTIR 분석을 통하여 확인하였다. 200 ℃ 이하 저온공정에서 직접패턴 된 20 nm 두께의 비정질 TiO_x 박막의 균일한 두께의 패턴형성을 Atomic Force Microscopy를 통하여 확인하였다. 별도의 상형성을 위한 후 열처리 공정 없이 4 ㎛ 선폭의 전극위에 형성된 20 nm 두께의 비정질 TiO_x RS 소자는 4V 동작전압에서 on/off ratio 20의 forming-less RS 특성을 나타내었다. Electrochemical migration에 영향을 미치는 grain boundary가 없어 소자간 신뢰성 향상이 기대되며, flexible 기판 또는 저온공정이 요구되는 메모리 소자 공정에서 PMOD 공정이 응용될 수 있음을 보여준다. Selector를 이용하여 crossbar array 구조를 도입할 경우 매우 간단한 구조의 저비용 메모리 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대 된다.