Increasing demands for non-volatile memory open up for extensive research on resistive switching memories owing to its simple structure with high density, fast switching speed and low power consumption. As the strategy of improving the density of data storage capacity, multilevel operation is one of the most promising solutions including three-dimensional cross point structure. Particularly, resistive switching memory based on two-dimensional nano-materials takes several advantages of flexibility, low cost and simple fabrication process. However, there are few reports on multilevel resistive switching memory compared to other materials. Herein, we demonstrated a multilevel resistive switching memory based on gra-phene oxide (GO) and $MoS_2$ using simple spin-coating process. $MoS_2$ nanosheets, chemi-cally exfoliated by Li-intercalation method, were successfully embedded between two GO layers as charge trapping sites. The resulting stacks of GO/$MoS_2$/GO exhibited excellent nonvolatile memory performance (at least 4 multiple resistance states, endurance over 100 cycles, stable retention time for $10^{4} s$). Furthermore, the charge transport mechanism was systematically investigated through the low-frequency 1/f noise analysis in various re-sistance states, which could be modulated by input voltage bias in negative differential re-sistance (NDR) region. This work propose a novel strategy to achieve a multilevel nonvola-tile memory, in which the stacked layers of two-dimensional nanosheets are utilized as re-sistive and charge storage materials.
본 연구에서 화학적으로 박리된 $MoS_2$를 쉽고 간편한 스핀코팅을 이용하여 두 개의 산화 그래핀 박막 가운데 삽입하여 저항변화 메모리를 만들었다. 그 결과 Au/GO/$MoS_2$/GO/Al 소자는 $10^{4}$이상의 on/off ratio를 가지며 4개 이상의 저항상태를 가지는 멀티레벨 특성을 보여주었다. 하나의 셀에서 두 개의 bit를 표현할 수 있어 집적도가 크게 향상되었다. 소자의 신뢰성을 테스트하기 위해 Retention 과 Endurance 측정을 한 결과 104 초 및 100 cycle 동안 안정적으로 동작하는 것을 확인하였다.
또한 저항변화의 원인을 규명하기 위해 GO와 $MoS_2$의 에너지레벨을 구하였고, 밴드다이어그램을 통해 deep trap에 전하가 저장될 것이라는 것을 예상하였다. 그리고, 기본적인 전류-전압 그래프에서 double log I-V plot의 기울기를 통해 전하가 space charge limited conduction에 의해 흐른다는 것을 확인하였다. 그리고, 다양한 저항상태와 $MoS_2$ 내에 저장된 전하양의 관계에 대해 1/f noise 측정을 통해 실험적으로 증명하였다.
여기서 제안된 산화 그래핀 박막 내에 $MoS_2$나노입자를 삽입하는 방법은 다른 저항변화절연박막에도 폭넓게 적용될 수 있으며, 그리고 $MoS_2$뿐만 아니라 다른 2차원의 Transition metal di-chalcogenide (TMDs) 물질로도 가능할 것이라 예상된다. 따라서 새로운 2차원 물질이 고집적도를 위한 메모리 연구분야에 유용하게 적용될 것이라 기대된다.
