단일층 Janus MoSSe의 쌍극자 기반 전하 트래핑과 초박막 메모리 응용

국문 초록 (Abstract)

2차원 물질은 원자층 수준의 두께와 우수한 전기적·광학적 특성을 바탕으로 차세대 전자소자에 활용되며 높은 잠재력을 지닌다. 특히 2차원 소재 간 적층으로 형성되는 반데르발스(van der Waals, vdW) 이종접합 구조는 결정 격자 불일치로부터 자유롭고 계면 결함이 최소화되어 기존 bulk 기반 소자 대비 향상된 소자 성능과 신뢰성을 구현할 수 있다.
본 연구에서는 전하 저장층의 소재 한계를 극복하고 초박막 절연층 환경에서 안정적인 메모리 동작을 구현하기 위해 내재된 전기 쌍극자 구조를 갖는 Janus MoSSe를 전하트랩층으로 적용한 2차원 기반 비휘발성 메모리 소자를 제작하였다. 먼저 Janus MoSSe의 고품질 확보를 위해 polymer-assisted 전사와 H2 어닐링 보조 공정을 비교하여 전사 공정 최적화를 진행하였고, 이를 통해 깨끗한 계면과 구조 손상이 최소화된 Janus MoSSe 적층 구조를 구현하였다. 이어서 h-BN을 터널링 절연층으로 도입하여 두께 변화에 따른 전하 주입 및 저장 특성을 평가하였으며 약 6 nm 조건에서 가장 우수한 메모리 윈도우, 유지 특성, 내구성 및 trapping rate 특성을 확인하였다.
또한 동일 구조에서 MoSe2 기반 소자를 제작하여 Janus 구조 도입에 따른 성능 향상을 비교한 결과, Janus MoSSe는 초박막 절연 조건에서도 전하 누설 억제와 장기 데이터 유지 측면에서 우수한 동작을 나타내었다. 이를 통해 Janus 구조 특유의 비대칭 전기장 및 전하 국소화 효과에 기인함을 확인하였다. 본 연구는 Janus MoSSe가 차세대 초박막 및 고신뢰성 2D 비휘발성 메모리 구현을 위한 유효한 전하트랩 소재임을 실험적으로 제시하고 2D 기반 메모리 소자 설계 및 소재 개발의 새로운 방향성을 제안한다.