基于石墨烯异质结构的非易失性存储器件，采用顶部浮栅编程技术

《ACS Applied Electronic Materials》：Graphene Heterostructure-Based Non-Volatile Memory Devices with Top Floating Gate Programming

基于石墨烯的双栅场效应晶体管非易失性存储器研究。通过在hBN/石墨烯/hBN异质结构上集成金属补丁，实现顶栅、浮栅电荷存储与重置功能。器件在10-300K和宽偏压范围内表现出高电荷编程效率（>90%）、超长循环寿命（>9800次）和可重置特性，证实了电容耦合效应主导的非易失存储机制。

　　这项研究提出了一种基于石墨烯的新型记忆平台，该平台构建在双栅极场效应晶体管（GFETs）之上，展示了其在非易失性存储领域的巨大潜力。研究的核心在于利用石墨烯与六方氮化硼（hBN）的异质结构，通过设计一个集成的金属贴片作为顶部栅极、浮动栅极（FG）存储库以及主动重置接触点，实现了对电荷的高效编程和可控存储。这种结构不仅提高了存储性能，还为未来低功耗、高密度的二维闪存技术奠定了基础。

石墨烯因其优异的载流子迁移率、化学惰性和机械稳定性，被认为是下一代电子器件的重要材料之一。然而，传统的硅基闪存技术正面临物理极限，例如在缩小尺寸时，隧道氧化层的厚度减少会带来更高的漏电流，从而影响数据的长期保持和设备的可靠性。为了克服这些限制，研究人员探索了基于二维材料的替代方案，其中石墨烯与hBN组成的异质结构尤为引人注目。hBN作为一种原子级光滑的绝缘层，具有宽的带隙，能够提供优异的界面质量和电介质性能，使得整个异质结构能够支持高度可调的静电环境，从而为新型记忆功能的实现提供了理想的平台。

本研究设计的GFETs采用了双栅极结构，其中顶部的金属贴片同时充当顶部栅极、浮动栅极和重置接触点。这种设计使得设备能够在顶部栅极和底部硅衬底之间形成强烈的电容耦合，从而实现可调的、宽泛的记忆窗口。通过动态模型的验证，研究人员发现记忆窗口的大小与底部栅极电压的扫幅成正比，并且可以通过减小hBN的厚度或增加浮动栅极的面积来进一步增强这一效应。这种非易失性记忆行为在宽泛的操作速度范围内（从10到300 K）均表现出稳定性，并且能够在真空环境中保持超过一年的数据存储能力，同时能够承受超过9800次的编程/擦除循环，展现出卓越的耐久性。

与传统浮动栅极设计不同，该研究引入了一个接地的顶部电极，使得设备能够在需要时实现电荷的主动擦除。这一特性为实现“重置”功能提供了直接手段，而传统设计往往需要外部干预才能完成。通过这种结构，设备能够实现可逆的电荷编程，同时避免了由于基底引起的滞后效应。这些特点表明，这种基于hBN/石墨烯的GFETs在实现高性能非易失性存储方面具有显著优势，为未来多级存储方案和低温电子器件提供了新的思路。

研究进一步探讨了记忆窗口对hBN厚度和浮动栅极面积的依赖性。通过改变hBN的厚度，研究人员发现当hBN层更薄时，记忆窗口的宽度显著增加，而随着hBN层变厚，这种效应逐渐趋于饱和。这一现象表明，较薄的hBN层能够提供更强的电容耦合，从而提高电荷存储的效率。同时，增加浮动栅极的面积也有助于扩大记忆窗口，表明设备性能与结构参数密切相关。实验数据显示，当hBN厚度为6纳米时，编程效率可以超过90%，远高于以往二维闪存设备的性能水平。

此外，研究还验证了记忆行为对操作速度和温度的独立性。无论是在室温还是低温环境下，设备都能保持稳定的记忆窗口，并且不受电压扫速的影响。这一特性对于需要在极端条件下工作的电子设备尤为重要，例如量子计算系统或低温存储应用。实验结果还表明，设备在不同温度下均能保持良好的非易失性表现，这为实现高性能、低功耗的二维记忆器件提供了坚实的理论和实验支持。

在探索记忆行为的物理机制时，研究人员提出了一种基于电容耦合的动态模型。该模型认为，记忆窗口的形成与电荷在浮动栅极和石墨烯之间的间接转移有关，而非直接注入。这种间接电荷转移方式使得设备能够实现非易失性存储，即使在没有外部刺激的情况下，电荷状态也能保持稳定。与传统的易失性响应机制不同，这种模型强调了电容耦合在记忆行为中的核心作用，为理解二维材料中的非易失性存储提供了新的视角。

为了进一步验证这一模型，研究团队进行了动态测试，包括在不同温度和电压脉冲频率下对设备进行编程和擦除操作。实验结果表明，无论是在室温（300 K）还是低温（10 K）下，设备都能可靠地在“开启”和“关闭”状态之间切换，并且能够维持稳定的电流输出。这种稳定的动态行为不仅证明了设备的高性能，也表明其在实际应用中具有广泛的适应性。此外，设备的重置能力在接地状态下尤为显著，能够快速恢复原始状态，从而为未来的可重构记忆架构提供了可能性。

本研究还强调了这种设计的灵活性和可扩展性。由于二维材料的多样性以及多种堆叠技术的成熟，这种基于GFET的结构可以进一步优化，以满足不同应用场景的需求。例如，通过引入其他二维材料，如过渡金属硫化物（TMDs）或拓扑绝缘体，可以进一步提升设备的性能。此外，利用光来增强记忆行为的潜力也被提出，为开发具有光学功能的记忆设备提供了新的方向。

为了确保设备的性能和稳定性，研究团队还详细描述了其制备和表征方法。所有样品通过干法转移技术进行堆叠，并使用电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀（RIE）等工艺定义接触区域和器件结构。电学表征则在低温环境下进行，以确保测量的准确性。研究还特别关注了电子束照射对设备性能的影响，通过调整电子束加速电压，验证了记忆行为与工艺参数之间的关系。

通过系统的实验分析和理论建模，这项研究不仅揭示了基于hBN/石墨烯异质结构的GFETs在非易失性存储方面的潜力，还为未来的二维材料记忆器件提供了清晰的设计指导。研究人员指出，选择合适的隧道层厚度是实现高性能记忆行为的关键因素，而优化浮动栅极的尺寸和电容耦合能力则能够进一步提升设备的存储效率和稳定性。此外，研究还强调了这种设计在多级存储和低温电子系统中的重要性，为实现更高效的存储方案提供了理论依据。

总的来说，这项研究展示了一种创新的基于石墨烯和hBN的非易失性记忆平台，其性能指标在多个方面均优于传统技术。通过结合电容耦合和可逆电荷存储机制，该设计实现了高效率、宽温度范围和高耐久性的记忆行为，为下一代二维闪存技术的发展提供了重要的参考。同时，研究还指出了未来研究的方向，包括进一步优化工艺参数、探索其他二维材料的潜在应用以及开发基于光学的新型记忆设备。这些成果不仅推动了二维材料在存储领域的应用，也为电子器件的微型化和高性能化提供了新的解决方案。