Rubidium 도핑을 통한 Cs2AgBiBr6 기반 저항 변화 소자의 성능 향상에 관한 연구

Abstract

비휘발성 저항 변화 소자는 폰 노이만 아키텍쳐의 병목현상을 해결할 수 있는 병렬 구조 연산이 가능한 차세대 메모리 소자로 빠른 동작 속도와 낮은 전력 소모의 특징을 바탕으로 주목을 받고 있다. Lead-free 이중 할라이드 페로브스카이트인 Cs2AgBiBr6는 독성이 없고, Lead 기반 할라이드 페로브스카이트 비해 상대적으로 온습도에 안정적이며 대기중에서 공정이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 뚜렷한 히스테리시스 동작을 보여 저항 변화 소자에 활용되고 있다. 그럼에도 불구하고, 실온에서의 공정 과정은 Cs2AgBiBr6 필름의 품질에 큰 영향을 주고, 특히 필름 내 pinhole은 저항 변화 소자의 누설 전류를 야기시켜 소자의 성능의 저하시킬 수 있다. 또한, 필름 내의 grain-boundary에 존재할 수 있는 잔여 전도성 경로는 저항 변화 소자의 on/off 저항비를 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 온도 습도 조건에 취약한 할라이드 페로브스카이트를 대기 중에서 제작할 때 필요한 조건의 최적화를 위해 루비듐의 첨가에 대한 Cs2AgBiBr6 기반 저항 변화 소자의 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 첫번째로, 누설 전류를 야기하는 pinhole이 없는 Cs2AgBiBr6 필름을 제조하기 위해 필름 제조 공정 시 외부 조건에 따른 필름의 품질 변화를 관찰하고 이것을 기반으로 온도, 습도 조건을 최적화하였다. 추가적으로 루비듐 도핑을 통해 필름의 grain 크기를 증가시켜, 저항 소자의 전기적 특성 변화를 고찰 하였다. 최적화된 조건에서 제작된 pinhole-free Cs2AgBiBr6 필름 기반 저항 변화 소자는 그렇지 않은 소자에 비해 9.05배 높은 on/off 저항비를 보였다. 나아가 루비듐의 함량에 따른 Cs2-xRbxAgBiBr6의 저항 변화 특성 변화 측정 시 루비듐 함량이 X=0.1 일 때 7.79×103의 가장 우수한 on/off 저항비를 나타냈다. 루비듐 함량이 증가함에 따라 필름 내 grain의 크기가 증가했음에도 X=0.2부터는 on/off 저항비가 감소하였는데, 이러한 결과는 루비듐 함량이 X=0.2 이상 증가함에 따라 감소하는 밴드갭의 영향인 것으로, 자외선-가시광선 분자 흡수 분광법을 통해 확인하였다. 본 연구를 통해 페로브스카이트의 물성 변화를 위해 간단한 이온의 도핑을 실시하여 표면의 우수성을 확보하고, 이를 기반으로 제작된 저항 변화 소자에서 우수한 on/off 저항비를 달성하였으며, 이는 차세대 메모리 소자로 다양하게 응용 가능할 것으로 기대된다.