憶阻器因其無(wú)揮發(fā)性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注。基于石墨烯的憶阻器具有原子單層厚度、靈活性和均勻性，作為現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)技術(shù)的有前途的替代品，在邏輯和存儲(chǔ)器件等應(yīng)用中獲得了更高的集成密度和更低的功耗，引起了人們的關(guān)注。
在憶阻器中使用石墨烯作為電極還可以增加抗降解機(jī)制的穩(wěn)健性，包括氧空位擴(kuò)散到電極和不需要的金屬離子擴(kuò)散。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)轉(zhuǎn)型，有必要建立一個(gè)可擴(kuò)展的、健壯的、具有成本效益的設(shè)備制造工藝。在這里，報(bào)告了使用市售的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)，以可批量生產(chǎn)、無(wú)污染和無(wú)轉(zhuǎn)移的方式在藍(lán)寶石晶圓上直接生長(zhǎng)高質(zhì)量單層石墨烯。利用這種方法，基于石墨烯電極的憶阻器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且在包含石墨烯電極的器件制造中使用的所有工藝都可以在晶圓規(guī)模上進(jìn)行?；谑╇姌O的憶阻器在耐用性、保持性和開(kāi)/關(guān)比方面表現(xiàn)出了很好的特性。這項(xiàng)工作為以商業(yè)和技術(shù)可持續(xù)的方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的石墨烯基憶阻器提供了一條可能和可行的途徑，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大、更緊湊的集成石墨烯電子器件鋪平了道路。
圖1. (a)石墨烯電極憶阻器的顯微圖。虛線區(qū)域內(nèi)是圖案化的石墨烯/AlO
x條帶。(b)圖案化石墨烯/AlO
x條帶邊緣的AFM圖像。(d)橫斷面的線形圖，虛線所示。(c)石墨烯電極憶阻器的三維結(jié)構(gòu)。記憶結(jié)在虛線方形區(qū)域突出顯示，插圖說(shuō)明了結(jié)(Au - AlO
x - TiO
x -石墨烯)的細(xì)節(jié)。在該器件結(jié)構(gòu)中，Au用作上電極(TE)，石墨烯用作下電極(BE)。
圖2. 石墨烯電極基憶阻器制造的一般工藝流程。(a)通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MOCVD系統(tǒng)在藍(lán)寶石晶圓上生長(zhǎng)大規(guī)模單層石墨烯;(b)來(lái)自單個(gè)制造批次的一個(gè)石墨烯晶圓，(c)是晶圓上的放大區(qū)域。(d)在晶圓片上熱蒸發(fā)薄層AlO
x。(e-g)石墨烯底電極(BE)定義。光抗蝕劑被旋轉(zhuǎn)涂覆在晶圓的頂部，并通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝開(kāi)發(fā)光抗蝕劑蝕刻掩模。濕蝕刻和干蝕刻分別在AlO
x和石墨烯上進(jìn)行，用于活性區(qū)域的圖案化。(h)和(i)接觸墊定義。采用光刻工藝制備接觸墊蒸發(fā)掩膜，然后進(jìn)行金屬(Ti/Au)沉積和抗蝕劑/殘余金屬剝離工藝。(j - 1)憶阻器活性材料的沉積和提升。沉積Ti薄膜，然后熱氧化生成TiOx(重復(fù)一次以增加厚度)。然后進(jìn)行另一光刻工藝以確定電介質(zhì)和TE的面積。隨后通過(guò)原子層沉積(ALD)和熱蒸發(fā)(Au)沉積薄AlO
x層。在設(shè)備完成之前，進(jìn)行最后一步的抗蝕劑/殘余金屬剝離。最后通過(guò)原理圖和照片說(shuō)明了完整的憶阻器器件晶圓。
圖3. 經(jīng)過(guò)幾個(gè)光刻步驟后，藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的石墨烯和成品記憶電阻器中的石墨烯減去背景后的拉曼光譜(532 nm激發(fā))。計(jì)算得到的石墨烯的峰面積比特征值為I
D/I
G = 0.25±0.02,I
2D/I
G = 3.96±0.16;成品憶阻器中石墨烯的I
D/I
G = 0.25±0.04,I
2D/I
G = 2.26±0.21。生長(zhǎng)石墨烯的G峰為11.8±0.7，成品石墨烯的G峰為15.0±1.6。平均值為2片不同晶圓上3-4個(gè)不同點(diǎn)的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，誤差條為實(shí)驗(yàn)誤差和光譜擬合誤差的誤差傳播所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)誤差。
圖4. (a)低源率(0.5 Hz - 1 Hz)的單個(gè)石墨烯電極憶阻器的電流-電壓(IV)初始掃描。有3輪連續(xù)掃描，第一輪掃描純色填充，其他掃描稍微透明，以更好地觀察目的。箭頭表示電壓掃向。
(b)在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)，使用(a)中相應(yīng)的開(kāi)/關(guān)電流計(jì)算的開(kāi)/關(guān)比。
圖5. 石墨烯電極基憶阻器的續(xù)航和保持特性。(a)和(b)憶阻器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)模式和器件電流示意圖。(c)和(d)分別為器件電壓(V
set和V
reset)和器件電阻(R
on和R
off)的持久特性和(e)和(f)保持特性。(g)設(shè)置和重置周期時(shí)間。
相關(guān)研究成果由倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院
Zhichao Weng和
Oliver Fenwick 課題組2024年發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c01208)上。原文：Memristors with Monolayer Graphene Electrodes Grown Directly on Sapphire Wafers
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
