LaAlO₃/SrTiO₃ 이종 구조 내 산소 공공의 밀도 제어를 통한 점진적 저항 변화 특성 연구

Abstract

산화물 내부의 필라멘트 저항 스위칭은 차세대 비휘발성 메모리 소자를 개발하는 데 필수적인 방법 중 하나다. 그러나 여러 가지 이점에도 불구하고 비규칙적이고, 재현성이 좋지 않은 스위칭 특성으로 인해 뉴로모픽(neuromorphic) 컴퓨팅에서의 실용적인 활용은 여전히 제한적이다. 이러한 문제는 저항 스위칭을 발생시키는 다수의 점 결함이 확률적인 거동을 보인다는 근본적인 특성 때문이다. 따라서 규칙적이고 신뢰성 있는 스위칭 특성을 구현하려면 기존 저항 스위칭 방법과는 다른 새로운 접근 방법이 필요하다. 본 연구에서는, LaAlO₃/SrTiO₃(LAO/STO) 이종 구조에서 산소 공공의 집단적 제어를 통해 신뢰성 있고 점진적인 저항 스위칭을 달성하는 방법을 제시한다. 초박막 LAO/STO 이종 구조에서 전기 정전위 제약을 이용하여 전도성 필라멘트의 형성을 억제하는 대신 산소 공공의 농도를 정밀하게 제어한다. LAO/STO 소자의 전도도는 개별 산소 공공의 확률적 이동이 아닌 전체 공공 밀도에 의해 결정되기 때문에, 기존 필라멘트 방식 소자와 비교하여 스위칭이 특성이 보다 높은 재현성과 안정성을 보인다. 노이즈 스펙트럼 분석과 몬테카를로 시뮬레이션 모델링을 통해 산소 공공의 집단적 제어에 대한 직접적인 증거를 제시한다. 또한, filament-free LAO/STO(FF-LAO/STO) 소자의 크게 개선된 아날로그 스위칭 성능을 증명하여 뉴로모픽 응용 분야에 대한 잠재력을 보여준다. 본 연구결과는 생물학적 이온 채널과 유사하게 점 결함 밀도로 정보를 저장하는 접근 방식을 확립함으로써 산화물 재료의 스위칭 특성을 향상시키는 새로운 접근법을 제시한다.