A study on the improvement of reliability characteristics of resistive switching device using tin disulfide of two-dimensional structure grown by atomic layer deposition

Abstract

2-dimensional material are highlighted in various electronic device applications due to their tunable and unique anisotropic physical characteristics induced by inherent low-dimensional nature. Herein, a 2-dimensional layered structure of SnS2 is rationally adopted as an oxygen reservoir layer in a typical transition metal oxide based resistive switching device. The resistive switching media of stacked SnS2/TiO2 and lamella-like SnS2∙TiO2 show 100 and 250 times higher endurance characteristics than that of individual TiO2 based resistive switching device, respectively. Additionally, the characteristic of the operation voltage distribution for resistive switching also exhibits improved homogeneity in SnS2-incorporated devices. Through the various microscopic analyses, it is revealed that the SnS2 can store the mobile oxygen ions from TiO2 in its interlayer, which facilitates boosted resistive switching characteristics. The oxygen reservoir layer is a crucial prerequisite for a reliable resistive switching device, however, the choice of materials that can serve as an oxygen reservoir is limited depending on the specific resistive switching system being used. This study demonstrates the 2-dimensional materials can be an unprecedented candidate for oxygen reservoir layers in resistive switching devices.|이차원 물질은 저차원 특성에 내재된 독특하고 비등방성의 물리적 성질 때문에 다양한 전자기기 분야에 활용되고 있다. 본 연구에서는 이차원 층상구조인 이황화주석 (SnS2)을 기존의 전이 금속 산화물 기반 저항변화 소자에서 산소 저장층으로 활용한 내용을 다룬다. 적층 구조인 SnS2/TiO2와 라멜라 구조인 SnS2∙TiO2인 저항변화층을 갖는 소자는 TiO2가 단독으로 있는 소자보다 100, 250배의 우수한 Endurance 특성을 나타냈다. 또한 SnS2를 적용한 저항변화소자는 동작 전압 분포에서도 더 균일한 동작 전압 분포를 보였다. 다양한 미세구조 및 화학 분석을 통해 SnS2는 TiO2로부터 나온 이동성이 있는 산소 이온을 SnS2의 층 사이에 저장할 수 있어, 저항 변화 시 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 결과를 밝혀냈다. 산소 저장층은 신뢰성 있는 저항 변화 소자를 구현하기 위한 중요한 전제조건이지만, 산소 저장층 역할을 할 수 있는 재료들은 저항변화층 간의 화학 반응을 고려해야 하기 때문에 재료의 선택이 제한적이다. 본 연구는 이차원 물질이 저항 변화 소자에서 기존의 화학적 방식이 아닌 물리적인 방식으로 산소를 저장하는 산소저장층으로 활용될 수 있음을 연구한 내용이다.