微电子所任天令教授课题组在《先进材料》发文 首次揭示存储窗口可调的新型石墨烯阻变存储器

清华新闻网10月29日电 10月26日，清华大学微电子所任天令教授课题组在《先进材料》 （ Advanced Materials ）在线发表了题为《存储窗口实时可调的的新型栅控双层石墨烯阻变存储器》（ “In Situ Tuning of Switching Window in a Gate-Controlled Bilayer Graphene-Electrode Resistive Memory Device” ）的研究论文，首次采用了双层石墨烯作为阻变存储器的底电极，实现了通过栅电压调控阻变存储器的存储窗口。微纳电子系毕业博士田禾（现南加州大学博士后），博士生赵海明、王雪峰及本科生谢谦益为论文共同第一作者，任天令为论文通讯作者，合作单位包括台湾新竹清华大学及美国斯坦福大学。

通过栅极电压调控阻变存储器窗口的实验结果。

阻变存储器一直被认为是新一代的非挥发存储器，然而传统阻变存储器的制备工艺一旦完成其存储窗口就固定了，这极大限制了其应用范围。论文首次提出了基于石墨烯的栅控阻变存储器新概念，这一新型存储器的写电压可在0.27V至4.5V之间连续可调，存储窗口可调具有广泛的应用前景，比如低擦写电压可实现系统的低功耗。这一栅控结构还可作为阻变存储器阵列的选通开关，有望替代现有的分立的1D1R结构，可对当代高密度存储技术产生革命性影响。

迄今为止，阻变存储器中，其存储窗口是由阻变层材料、厚度以及制备工艺所决定的，因此器件制备完成后其存储窗口便固定不变了。在传统RRAM阵列当中，通常每个存储单元会带有一个选通二极管来控制对哪个单元进行擦写，这极大降低了存储密度，增加了芯片面积，同时擦写电压只取决于器件本身，无法实现低电压擦写。论文首次报道的存储窗口可调的阻变存储器，在获得低电压擦写性能的同时，栅电压可作为存储单元的选通开关，即单个器件实现了过去两个器件的功能，从而极大地提高存储密度，这项成果在相关领域具有深远的意义。审稿人评价认为：“这项工作极大拓展了阻变存储器和二维材料器件的功能”，“这项工作提出的器件概念非常新颖”。

通过栅极电压调控存储窗口的原理图。

石墨烯具有优异的特性，在阻变存储器、光存储等课题中被广泛应用。任天令教授课题组创新性地利用化学气相沉积制备的大面积单晶双层石墨烯，结合新的制备工艺，利用金属铝与石墨烯界面处形成5纳米自然氧化层AlOx作为阻变层。通过施加栅电压，可以打开双层石墨烯的带隙，使电场穿透石墨烯进而调控AlOx中氧离子的浓度，从而实现存储窗口可调。该阻变存储器还具有工艺简单、成本低等优点，是现代高密度存储技术的理想元件。

近年来，任天令教授致力于石墨烯等二维电子材料的器件的研究，尤其关注突破传统器件限制的新型器件，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，在新型石墨烯基存储器、声学器件、发光器件以及传感器件等方面已获得了多项创新成果，如柔性透明石墨烯耳机、低功耗石墨烯阻变存储器和光谱可调的柔性全石墨烯基场控发光器件。该研究成果得到了国家自然基金重点项目支持。

论文链接： http://dx.doi.org/10.1002/adma.201503125

供稿：微电子所  编辑：田 心