憶阻器因其無揮發性、結構簡單、功耗低等優點而引起了廣泛的關注。基于石墨烯的憶阻器具有原子單層厚度、靈活性和均勻性，作為現代場效應晶體管(FET)技術的有前途的替代品，在邏輯和存儲器件等應用中獲得了更高的集成密度和更低的功耗，引起了人們的關注。
在憶阻器中使用石墨烯作為電極還可以增加抗降解機制的穩健性，包括氧空位擴散到電極和不需要的金屬離子擴散。然而，為了實現這一技術轉型，有必要建立一個可擴展的、健壯的、具有成本效益的設備制造工藝。在這里，報告了使用市售的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統，以可批量生產、無污染和無轉移的方式在藍寶石晶圓上直接生長高質量單層石墨烯。利用這種方法，基于石墨烯電極的憶阻器被開發出來，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模上進行。基于石墨烯電極的憶阻器在耐用性、保持性和開/關比方面表現出了很好的特性。這項工作為以商業和技術可持續的方式實現強大的石墨烯基憶阻器提供了一條可能和可行的途徑，為未來實現更強大、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。虛線區域內是圖案化的石墨烯/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構。記憶結在虛線方形區域突出顯示，插圖說明了結(Au - AlO
x - TiO
x -石墨烯)的細節。在該器件結構中，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)通過工業標準MOCVD系統在藍寶石晶圓上生長大規模單層石墨烯;(b)來自單個制造批次的一個石墨烯晶圓，(c)是晶圓上的放大區域。(d)在晶圓片上熱蒸發薄層AlO
x。(e-g)石墨烯底電極(BE)定義。光抗蝕劑被旋轉涂覆在晶圓的頂部，并通過工業標準的光刻工藝開發光抗蝕劑蝕刻掩模。濕蝕刻和干蝕刻分別在AlO
x和石墨烯上進行，用于活性區域的圖案化。(h)和(i)接觸墊定義。采用光刻工藝制備接觸墊蒸發掩膜，然后進行金屬(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(重復一次以增加厚度)。然后進行另一光刻工藝以確定電介質和TE的面積。隨后通過原子層沉積(ALD)和熱蒸發(Au)沉積薄AlO
x層。在設備完成之前，進行最后一步的抗蝕劑/殘余金屬剝離。最后通過原理圖和照片說明了完整的憶阻器器件晶圓。
圖3. 經過幾個光刻步驟后，藍寶石襯底上生長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)。計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個不同點的數據的算術平均值，誤差條為實驗誤差和光譜擬合誤差的誤差傳播所產生的標準誤差。
圖4. (a)低源率(0.5 Hz - 1 Hz)的單個石墨烯電極憶阻器的電流-電壓(IV)初始掃描。有3輪連續掃描，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)在整個電源電壓范圍內，使用(a)中相應的開/關電流計算的開/關比。
圖5. 石墨烯電極基憶阻器的續航和保持特性。(a)和(b)憶阻器驅動電壓信號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)設置和重置周期時間。
相關研究成果由倫敦大學瑪麗皇后學院
Zhichao Weng和
Oliver Fenwick 課題組2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
