微電子所任天令教授課題組在《先進(jìn)材料》發(fā)文
首次揭示存儲(chǔ)窗口可調(diào)的新型石墨烯阻變存儲(chǔ)器
清華新聞網(wǎng)10月29日電 10月26日，清華大學(xué)微電子所任天令教授課題組在《先進(jìn)材料》 （Advanced Materials）在線(xiàn)發(fā)表了題為《存儲(chǔ)窗口實(shí)時(shí)可調(diào)的的新型柵控雙層石墨烯阻變存儲(chǔ)器》（“In Situ Tuning of Switching Window in a Gate-Controlled Bilayer Graphene-Electrode Resistive Memory Device”）的研究論文，首次采用了雙層石墨烯作為阻變存儲(chǔ)器的底電極，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)柵電壓調(diào)控阻變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)窗口。微納電子系畢業(yè)博士田禾（現(xiàn)南加州大學(xué)博士后），博士生趙海明、王雪峰及本科生謝謙益為論文共同第一作者，任天令為論文通訊作者，合作單位包括臺(tái)灣新竹清華大學(xué)及美國(guó)斯坦福大學(xué)。
通過(guò)柵極電壓調(diào)控阻變存儲(chǔ)器窗口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
阻變存儲(chǔ)器一直被認(rèn)為是新一代的非揮發(fā)存儲(chǔ)器，然而傳統(tǒng)阻變存儲(chǔ)器的制備工藝一旦完成其存儲(chǔ)窗口就固定了，這極大限制了其應(yīng)用范圍。論文首次提出了基于石墨烯的柵控阻變存儲(chǔ)器新概念，這一新型存儲(chǔ)器的寫(xiě)電壓可在0.27V至4.5V之間連續(xù)可調(diào)，存儲(chǔ)窗口可調(diào)具有廣泛的應(yīng)用前景，比如低擦寫(xiě)電壓可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。這一柵控結(jié)構(gòu)還可作為阻變存儲(chǔ)器陣列的選通開(kāi)關(guān)，有望替代現(xiàn)有的分立的1D1R結(jié)構(gòu)，可對(duì)當(dāng)代高密度存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)生革命性影響。
迄今為止，阻變存儲(chǔ)器中，其存儲(chǔ)窗口是由阻變層材料、厚度以及制備工藝所決定的，因此器件制備完成后其存儲(chǔ)窗口便固定不變了。在傳統(tǒng)RRAM陣列當(dāng)中，通常每個(gè)存儲(chǔ)單元會(huì)帶有一個(gè)選通二極管來(lái)控制對(duì)哪個(gè)單元進(jìn)行擦寫(xiě)，這極大降低了存儲(chǔ)密度，增加了芯片面積，同時(shí)擦寫(xiě)電壓只取決于器件本身，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低電壓擦寫(xiě)。論文首次報(bào)道的存儲(chǔ)窗口可調(diào)的阻變存儲(chǔ)器，在獲得低電壓擦寫(xiě)性能的同時(shí)，柵電壓可作為存儲(chǔ)單元的選通開(kāi)關(guān)，即單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)了過(guò)去兩個(gè)器件的功能，從而極大地提高存儲(chǔ)密度，這項(xiàng)成果在相關(guān)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。審稿人評(píng)價(jià)認(rèn)為：“這項(xiàng)工作極大拓展了阻變存儲(chǔ)器和二維材料器件的功能”，“這項(xiàng)工作提出的器件概念非常新穎”。
通過(guò)柵極電壓調(diào)控存儲(chǔ)窗口的原理圖。
石墨烯具有優(yōu)異的特性，在阻變存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)等課題中被廣泛應(yīng)用。任天令教授課題組創(chuàng)新性地利用化學(xué)氣相沉積制備的大面積單晶雙層石墨烯，結(jié)合新的制備工藝，利用金屬鋁與石墨烯界面處形成5納米自然氧化層AlOx作為阻變層。通過(guò)施加?xùn)烹妷海梢源蜷_(kāi)雙層石墨烯的帶隙，使電場(chǎng)穿透石墨烯進(jìn)而調(diào)控AlOx中氧離子的濃度，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)窗口可調(diào)。該阻變存儲(chǔ)器還具有工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代高密度存儲(chǔ)技術(shù)的理想元件。
近年來(lái)，任天令教授致力于石墨烯等二維電子材料的器件的研究，尤其關(guān)注突破傳統(tǒng)器件限制的新型器件，為新一代微納電子器件技術(shù)奠定基礎(chǔ)，在新型石墨烯基存儲(chǔ)器、聲學(xué)器件、發(fā)光器件以及傳感器件等方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如柔性透明石墨烯耳機(jī)、低功耗石墨烯阻變存儲(chǔ)器和光譜可調(diào)的柔性全石墨烯基場(chǎng)控發(fā)光器件。該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/adma.201503125
供稿：微電子所 編輯：田 心
