Recently, one of transition metal dichalcogenides (TMDCs), molybdenum disulfide ($MoS_2$) has been regarded as a rising semiconductor materials in electronics, optoelectronics, and flexible or transparent device applications because of their special natural peculiarities due to thin atomically thin thickness and layered structure with band gap properties. Among the many applications of $MoS_2$, the development of flexible nonvolatile memory is promising for its important position in electronic systems to store the data flood related with wearable devices in internet of things (IoT) era. However, the effective charge storage and memory performance, such as endurance cycling and retention characteristics, remain to be solved. To enhance a reliable characteristics of nonvolatile memory, we investigated the $MoS_2$ based charge storage memory with a gate stack of metal nanoparticles and poly(1,3,5-trimethyl-1,3,5-trivin yl cyclotrisiloxane) (pV3D3) dielectric materials which were utilized as a charge storage, tunneling oxide respectively. A highly uniform, flexible and pure polymer layer via initiated chemical vapor deposition (iCVD) process was deposited to overcome the limitation of atomic layer deposition (ALD) process on zero dangling bond surface of the $MoS_2$. The gold nanoparticles was used for the charge storage layer via thermal evaporation method to maximize the memory characteristics. The high-k $Al_2O_3$ by ALD process worked as the blocking dielectric with particular purpose to increase the gate coupling ratio with low-k pV3D3 layer. The fabricated memory device exhibits a tunable memory window with a high on/off $(~10^5)$ ratio, a high endurance of a thousand cycling, and a long retention characteristics $(~10^5 s)$. This research provides a future approach to the development of a flexible and wearable nonvolatile memory application based on two dimensional materials with iCVD polymer dielectric layers.
사물 인터넷 시대의 도래와 웨어러블 기기의 발전은, 실리콘 반도체 공정의 개발과 재료과학의 발전을 촉진시켜왔다. 미래 전자공학의 응용을 위해서, 최근, 전이금속 칼코게나이드 중 하나인 이황화 몰리브데늄이 차세대 반도체 물질로 대두되고 있다. 원자 수준의 층상 구조를 가지는 이 물질은, 층수에 따라 밴드갭 특성이 다르기 때문에 전자공학, 광학, 그리고 유연 및 투명소자로서의 응용에 많은 관심을 불러일으키고 있다. 특히 비휘발성 메모리로의 응용은 현대 전자공학 시스템의 근간을 이루는 요소 중 하나라는 점에서 중요하다.
오랫동안, 가장 잘 알려진 비휘발성 메모리 구조인 전하저장 메모리가 2차원 물질의 다양한 장점들에 힘입어 연구되어왔다. 비휘발성 메모리의 신뢰적인 특성을 증폭시키기 위해서, 이 연구에서는 금속 나노입자와 폴리머 유전층을 각각 전하저장층인 부유게이트와 터널링 유전층으로 사용하였다. 기존 원자층 단위 증착으로는 댕글링본드가 없는 이황화몰리브덴 표면에서 증착 한계를 보이며, 이를 극복하기 위해 매우 균일하고 순수한 폴리머 층이 개시된 화학 기상 증착법으로 형성되었다. 열 증착 방식으로 형성된 금 나노입자는 우수한 밀도 와 분포조절 능력을 가지기 때문에 부유게이트 물질로 사용되었다. 이 부유게이트 메모리 소자는 높은 전류 온오프 비율 및 조절 가능한 다중 메모리 상태와 함께 안정적인 천 회의 높은 메모리 동작과 10만 초의 긴 유지력을 보여주었다. 이 논문에 실린 종합적인 자료들이 미래에 2차원 물질과 폴리머 유전층을 기반으로 한 다양한 유연 및 웨어러블 소자의 발전에 기여하리라 믿는다.
