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物理所基于石墨烯/氧化物纳米结构的多态存储研究获进展
随着计算机技术、互联网以及新型大众电子产品的高速发展，现有的存储技术已经不能完全满足人们对电子信息存储产品的要求，因此，迫切需要在存储技术方面取得突破，开发新一代的存储技术。电阻式随机存储器(RRAM)是基于电致电阻效应的一种新型存储器，因其结构简单、读写速度快、功耗低、可实现多态存储和 3D集成等优点而引起科学界广泛的关注，成为开发更小、更快、节能的下一代非易失性存储器的有力竞争者。典型的RRAM器件为金属-绝缘体-金属结构。碳基材料如石墨烯、碳纳米管、非晶碳，由于其独特的电学、力学、光学和其他新奇的物理特性，使其在未来纳米电子学器件领域可能有重要的应用前景。近几年，碳基材料被用来替代金属电极以开发高密度、高速度、低成本的RRAM器件。
中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)的纳米物理与器件实验室张广宇课题组，利用自制的远程电感耦合等离子体系统，首次在多种基底(半导体、金属、绝缘体等表面)上实现了纳米石墨烯薄膜的低温直接生长，研究了薄膜的输运及光学性能【Nano Research 4, 315, (2011)和Small 8, 1429, (2012)】。最近，该组张广宇研究员、时东霞研究员、博士生何聪丽等将这种直接生长的纳米石墨烯薄膜用于低成本RRAM器件的研究。纳米石墨烯作为电极用于RRAM平面结构器件的研究有以下几个优点：1)易于制备。此方法在SiO2/Si 衬底上直接低温生长纳米石墨烯薄膜，避免了转移的复杂步骤。2)电阻率可调。该方法生长的纳米石墨烯薄膜电阻率可以通过控制生长条件来控制。3)器件加工兼容性。该两端器件制备过程全是基于现有的标准的曝光与刻蚀技术，与现有CMOS工艺兼容。4)大面积可集成。此方法生长的纳米石墨烯薄膜可以均匀的沉积到4英寸的衬底上，在开发大规模、低成本的非易失性存储器方面具有优势。
研究人员利用标准的微加工技术，将纳米石墨烯薄膜加工了两端器件。制备好的器件首先要经历一个 Forming过程激活。在此过程中，纳米石墨烯薄膜会被电击穿，并在下方氧化硅层形成30~100nm的纳米间隙。激活之后，该两端器件表现出良好的存储特性，抗疲劳性>104次，保持时间>105秒，擦写速度<500纳秒。该器件的优势是可以稳定可控的实现多阻态转变。通过施加不同的复位电压，可以得到至少5个电阻态，用来实现多态存储。传统的存储器采用的是二进制数据存储，每个存储单元只有“0”和“1”两种状态，多态存储每个存储单元有多个状态，在相同存储单元体积下，存储容量指数增加。因此，这种纳米石墨烯薄膜/氧化物基非易失性存储器在高密度、高速度、低成本方面具有优势，并可以用于人工神经网络和超级计算机的开发。相关研究结果发表在【ACS NANO (2012), DOI: 10.1021/nn300735s】上。
这项工作得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金和“973”项目的支持。
文章链接：Multilevel Resistive Switching in Planar Graphene/SiO2 Nanogap Structures
图1：(a) PECVD在SiO2/Si衬底上直接低温生长的纳米石墨烯薄膜的AFM图，该薄膜表面电阻为20KΩ/□。(b)拉曼光谱表征。(c)Forming过程中电击穿新制备好的两端器件的电流-电压特性曲线。(d)和 (e)为同一器件forming前后的AFM图，forming之后可以看到明显的裂痕，形成graphene/SiO2纳米间隙结构。(f) Forming之后，graphene/SiO2纳米间隙结构的电流-电压转变特性曲线。
图2：graphene/SiO2纳米间隙结构的存储特性。(a) 器件在脉冲电压下的电阻转变特性，擦写速度：500ns，脉冲电压幅度分别为6V、10V。(b)抗疲劳特性>104次。(c)数据保持特性>105秒。
图3：graphene/SiO2纳米间隙结构的多态存储特性。(a)直流扫描下的电流-电压转变特性曲线，施加不同复位电压，得到不同的电阻态。(b)不同脉冲电压下的多阻态转变。(c)稳定可重复的多阻态转变。(d)不同电阻态的数据保持特性。
