基于单层六方氮化硼的片上原子存储器：高可靠性电阻开关机制与千万次循环耐久性研究

为解决RRAM（电阻随机存取存储器）因非晶金属氧化物缺陷不可控导致的可靠性问题，研究人员创新性地采用单层六方氮化硼（hBN）作为绝缘层，开发出片上原子存储器（atomristor）。通过氧辅助化学气相沉积（CVD）合成高质量hBN薄膜，实现了场驱动缺陷主导的高重现性双极电阻开关，耐久性达百万次循环，为存储器微型化提供新范式。

　　

在微电子技术飞速发展的今天，电阻随机存取存储器（RRAM）因其结构简单、功耗低等优势被视为下一代存储技术的候选者。然而，传统基于非晶金属氧化物（如TaO_X
、HfO₂
）的RRAM面临致命瓶颈：原子缺陷的随机性导致电阻开关行为不可控，耐久性通常仅数十万次，严重制约其商业化应用。更棘手的是，非晶材料中原子位置和键合强度的不确定性，使得缺陷调控如同“盲人摸象”。这一困境促使科学家将目光投向二维材料——单层六方氮化硼（hBN）以其完美的晶格结构和已知的原子排布（36.97 nm^?2
原子密度，0.25 nm原子间距）成为理想候选。

为突破这一技术壁垒，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队在Mario Lanza教授领导下，首次将高质量单层hBN集成至硅微芯片后端工艺线（BEOL），成功制备出0.05 μm²
的片上原子存储器。这项发表于《Materials Science and Engineering: R: Reports》的研究揭示了场驱动缺陷主导的全新电阻开关机制，器件耐久性突破百万次循环，较此前基于SiO₂
衬底的原子存储器性能提升三个数量级。

关键技术方法
研究采用氧辅助化学气相沉积（CVD）在Cu（111）箔上生长单晶hBN薄膜，通过精确控制0.01%氧气掺杂提升结晶质量；利用湿法转移技术将hBN集成至含CMOS晶体管的硅微芯片；采用导电原子力显微镜（CAFM）在500 nm×500 nm区域进行纳米级电学表征；构建一晶体管一原子存储器（1T1R）阵列测试开关特性。

研究结果

高质量单层hBN的合成与表征
通过引入微量氧气（0.01% in Ar）的CVD工艺，团队获得缺陷密度极低的hBN薄膜。CAFM测试显示，在7.5 mV读取电压下，电流分布均匀性优于商业hBN样品，证实其优异的绝缘性能（B-N键能8.69 eV）和结构完整性。

纳米尺度电学特性
在hBN/Cu体系中发现阈值电场诱导的突导电导行为，其开关比超过10³
。通过第一性原理计算揭示，电场作用下hBN晶格中可逆形成B或N空位（形成能7.43 eV），这些场致缺陷（而非原生缺陷）成为电阻开关的物理基础。

1T1R阵列性能
集成至硅芯片的hBN原子存储器展现双极电阻开关特性：置位电压+0.8 V，复位电压-1.2 V，高低阻态比>100。关键突破在于循环稳定性——百万次测试后电阻窗口衰减<5%，远优于非晶氧化物RRAM。

讨论与结论
与传统非晶氧化物RRAM依赖随机氧空位迁移不同，hBN原子存储器的开关行为源于电场调控的精确缺陷工程。其优势体现在三方面：① 晶体结构确定性使得缺陷生成能量（7.43 eV）成为可设计参数；② 单原子层厚度（0.33 nm）实现超低操作电压；③ 共价键网络抑制缺陷扩散，保障循环稳定性。

这项研究不仅首次证实二维材料在BEOL集成的可行性，更开创了“缺陷可编程”的存储器设计新思路。对于需要高可靠性的神经形态计算和存内计算应用，hBN原子存储器展现出独特潜力。正如作者Mario Lanza强调，该技术有望推动存储器单元尺寸突破至亚5 nm节点，为后摩尔时代微电子发展提供关键支撑。