中國儲能網(wǎng)訊：隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)以及新型大眾電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，現(xiàn)有的存儲技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足人們對電子信息存儲產(chǎn)品的要求，因此，迫切需要在存儲技術(shù)方面取得突破，開發(fā)新一代的存儲技術(shù)。電阻式隨機存儲器（RRAM）是基于電致電阻效應(yīng)的一種新型存儲器，因其結(jié)構(gòu)簡單、讀寫速度快、功耗低、可實現(xiàn)多態(tài)存儲和3D集成等優(yōu)點而引起科學(xué)界廣泛的關(guān)注，成為開發(fā)更小、更快、節(jié)能的下一代非易失性存儲器的有力競爭者。典型的RRAM器件為金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)。碳基材料如石墨烯、碳納米管、非晶碳，由于其獨特的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和其他新奇的物理特性，使其在未來納米電子學(xué)器件領(lǐng)域可能有重要的應(yīng)用前景。近幾年，碳基材料被用來替代金屬電極以開發(fā)高密度、高速度、低成本的RRAM器件。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）的納米物理與器件實驗室張廣宇課題組，利用自制的遠程電感耦合等離子體系統(tǒng)，首次在多種基底（半導(dǎo)體、金屬、絕緣體等表面）上實現(xiàn)了納米石墨烯薄膜的低溫直接生長，研究了薄膜的輸運及光學(xué)性能【Nano Research 4, 315, (2011)】和【Small 8, 1429, (2012)】。最近，該組張廣宇研究員、時東霞研究員、博士生何聰麗等將這種直接生長的納米石墨烯薄膜用于低成本RRAM器件的研究。納米石墨烯作為電極用于RRAM平面結(jié)構(gòu)器件的研究有以下幾個優(yōu)點：1）易于制備。此方法在SiO2/Si襯底上直接低溫生長納米石墨烯薄膜，避免了轉(zhuǎn)移的復(fù)雜步驟。2）電阻率可調(diào)。該方法生長的納米石墨烯薄膜電阻率可以通過控制生長條件來控制。3）器件加工兼容性。該兩端器件制備過程全是基于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的曝光與刻蝕技術(shù)，與現(xiàn)有CMOS工藝兼容。4）大面積可集成。此方法生長的納米石墨烯薄膜可以均勻的沉積到4英寸的襯底上，在開發(fā)大規(guī)模、低成本的非易失性存儲器方面具有優(yōu)勢。
我們利用標(biāo)準(zhǔn)的微加工技術(shù)，將納米石墨烯薄膜加工了兩端器件。制備好的器件首先要經(jīng)歷一個Forming過程激活。在此過程中，納米石墨烯薄膜會被電擊穿，并在下方氧化硅層形成30~100nm的納米間隙。激活之后，該兩端器件表現(xiàn)出良好的存儲特性，抗疲勞性>104次，保持時間>105秒，擦寫速度<500納秒。該器件的優(yōu)勢是可以穩(wěn)定可控的實現(xiàn)多阻態(tài)轉(zhuǎn)變。通過施加不同的復(fù)位電壓，可以得到至少5個電阻態(tài)，用來實現(xiàn)多態(tài)存儲。傳統(tǒng)的存儲器采用的是二進制數(shù)據(jù)存儲，每個存儲單元只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，多態(tài)存儲每個存儲單元有多個狀態(tài)，在相同存儲單元體積下，存儲容量指數(shù)增加。因此，這種納米石墨烯薄膜/氧化物基非易失性存儲器在高密度、高速度、低成本方面具有優(yōu)勢，并可以用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和超級計算機的開發(fā)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在【ACS NANO (2012), DOI: 10.1021/nn300735s】上。
這項工作得到了中科院“百人計劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項目的支持。
文章鏈接：
“Multilevel Resistive Switching in Planar Graphene/SiO2 Nanogap Structures”
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn300735s
圖1：(a) PECVD在SiO2/Si襯底上直接低溫生長的納米石墨烯薄膜的AFM圖，該薄膜表面電阻為20KΩ/□。(b)拉曼光譜表征。(c)Forming過程中電擊穿新制備好的兩端器件的電流-電壓特性曲線。(d)和(e)為同一器件forming前后的AFM圖，forming之后可以看到明顯的裂痕，形成graphene/SiO2納米間隙結(jié)構(gòu)。(f) Forming之后，graphene/SiO2納米間隙結(jié)構(gòu)的電流-電壓轉(zhuǎn)變特性曲線。
圖2：graphene/SiO2納米間隙結(jié)構(gòu)的存儲特性。(a) 器件在脈沖電壓下的電阻轉(zhuǎn)變特性，擦寫速度：500ns，脈沖電壓幅度分別為6V、10V。(b)抗疲勞特性>104次。(c)數(shù)據(jù)保持特性>105秒。
圖3：graphene/SiO2納米間隙結(jié)構(gòu)的多態(tài)存儲特性。(a)直流掃描下的電流-電壓轉(zhuǎn)變特性曲線，施加不同復(fù)位電壓，得到不同的電阻態(tài)。(b)不同脈沖電壓下的多阻態(tài)轉(zhuǎn)變。(c)穩(wěn)定可重復(fù)的多阻態(tài)轉(zhuǎn)變。(d)不同電阻態(tài)的數(shù)據(jù)保持特性。
