ACS Nano：基于ReS2/h-BN/石墨烯异质结的超高速多位存储器

研究背景

随着第五代(5G)移动通信技术的快速发展和大数据的激增，对优质存储性能的需求迅速上升，特别是在存储窗口、操作速度、擦除/编程比和高密度存储能力方面。目前，存储领域面临的一个突出挑战是难以同时实现纳秒级的超快操作速度和持久的数据保留能力。闪存作为一种应用广泛的非易失性存储器，以其低功耗和可靠的数据存储特性而受到青睐。然而，传统的硅基闪存通常以百微秒的速度工作。此外，随着CMOS工艺的特征尺寸不断缩小，超薄硅基存储器中悬键和界面缺陷的存在可能会进一步降低器件性能。因此，必须探索其他材料来克服硅基闪存的性能限制。最近，2D材料已成为下一代高性能存储器的极有前途候选者。这是由于它们的原子薄厚度，没有表面悬键，并且可以任意堆叠。基于2D范德华异质结的浮栅存储器得到了广泛的研究。虽然一些工作为高密度存储器开发提供了有希望的方法，但进一步的探索仍然是提高存储器性能的必要条件。例如，浮栅存储器很难同时实现高存储容量、超快工作速度和良好的长期保留。

成果介绍

有鉴于此，近日，天津大学刘晶教授团队报道了一种基于ReS₂/h-BN/石墨烯范德华异质结的浮栅(FG)存储器。该器件具有超快且多级非易失性存储特性，特别是具有113.36 V的超大存储窗口，10⁷的擦除/编程电流比，30 ns的超快工作速度，超过1000个周期的出色耐久时间和超过1100 s的保留性能。此外，该器件表现出电和光可调谐的多级非易失性存储器行为。通过控制电压和光脉冲参数，器件实现了130电平(>7位)的电存储状态和45电平(>5位)的光存储状态。文章以“An Ultrafast Multibit Memory Based on the ReS₂/h-BN/Graphene Heterostructure”为题发表在著名期刊ACS Nano上。

图文导读

图1. ReS₂/h-BN/石墨烯异质结的结构与表征。（a）ReS₂/h-BN/石墨烯浮栅存储器件结构的示意图。（b）制备的浮栅存储器的光学显微镜图像。（c）ReS₂/h-BN/石墨烯异质结的平坦能带。（d）ReS₂/h-BN/石墨烯异质结的拉曼光谱。

基于ReS₂/h-BN/石墨烯异质结的非易失性浮栅存储器示意图如图1a所示，其中ReS₂、h-BN和石墨烯薄片分别作为沟道、隧穿层和浮栅。图1b显示了该器件的光学图像，石墨烯、h-BN和ReS₂的厚度通过AFM表征，分别为5.6、8.5和5.1 nm。多层石墨烯(MLG)比单层石墨烯(MLG)更适合用作浮栅层，因为它具有更高的态密度和功函数(4.6 eV)，从而提高了存储窗口和开关比。此外，具有宽带隙(~6 eV)的h-BN用作介电隧穿层，其厚度与电子的隧穿概率成反比。考虑到这一点，h-BN薄片的厚度选择在8.5 nm左右，以获得超快的工作速度和优异的保留性能。ReS₂/h-BN/石墨烯异质结对应的平带状态能带图如图1c所示。图1d为ReS₂/h-BN/石墨烯异质结的拉曼光谱。ReS₂薄片在161和212 cm^-1处表现出两个明显的峰，分别对应于面内(E_2g)和面外(A_1g)振动模式。h-BN的特征峰位于1366 cm^-1处，为面内(E_2g)振动模式。此外，1580 cm^-1(G)和2716 cm^-1(2D)处的峰是多层石墨烯的两个特征峰。

图2. 超快非易失性存储器的表征。（a）)不同栅极电压扫描范围下的转移特性曲线。（b）存储器窗口与栅极电压最大值(V_g,max)的关系。（c）不同栅极电压下的输出特性曲线。（d）在振幅为+40V/-40V、持续时间分别为20 ns、25 ns和30 ns的电压脉冲下进行编程/擦除操作。（e）施加±40 V，1s脉冲后非易失性存储器的保留特性。（f）1000个电压脉冲(±40 V，50 ns)的耐久性能测试。

为了表征基于ReS₂/h-BN/石墨烯结构的非易失性存储器的性能，本文测试了器件的存储窗口、工作速度、保留特性和耐久性。图2a显示了在保持漏-源电压(V_ds)为0.1 V的情况下，器件在不同范围栅极电压扫描下的转移曲线。当栅极电压前向和后向扫描时，由于阈值电压的移动，观察到一个明显的迟滞。从后向扫描和前向扫描获得的阈值电压之间的差异定义了存储窗口。当栅极电压扫描范围为±60 V时，提取的阈值电压分别为-56.37 V和56.99 V，对应的存储窗口为113.36 V。这个值大约是栅极偏置扫描范围的94.5%，这比迄今为止报道的大多数浮栅存储器都要高，表明了优异的存储性能。此外，如图2b所示，存储窗口几乎随外加的背栅电压最大值(V_g,max)线性增加。这表明浮栅中栅极电压对电荷俘获具有良好的调谐能力。图2c显示了不同栅极电压下的输出曲线，仅显示了器件在不同栅极电压下的两种电阻状态(“高阻”和“低阻”)，这是由于石墨烯层中存储的电荷屏蔽了外加电场。此外，线性I-V曲线表明沟道材料和电极之间的高欧姆接触质量。

随后，通过施加振幅为±40 V、宽度为20、25和30 ns的脉冲来测试器件的工作速度。图2d显示，在编程过程中，25和30 ns脉冲分别可以实现>10和10⁶的擦除/编程比。然而，在擦除过程中，20 ns脉冲可以实现~10⁶的擦除/编程比。20 ns/30 ns的超快擦除/编程速度比商用闪存缩短了3300倍以上。如此快的工作速度可以归因于浮栅与背栅之间的垂直重叠面积增加，从而提高了电荷控制效率，这是通过将浮栅与外部大尺寸金属电极连接来实现的。此外，数据保留特性是衡量存储器可靠性的重要指标。该器件分别使用-40 V和+40 V的栅极电压脉冲进行擦除和编程，每个脉冲的持续时间为1s。如图2e所示，经过1100 s擦除和编程后的电流值几乎没有变化，表现出优异的保留特性。然后，测试了器件的耐久性，如图2f所示。本文测试了该器件在±40 V和50 ns电压脉冲下的1000次循环。虽然经过610次循环后，擦除/编程比下降了80.6%，但器件仍然可以在擦除和编程两种状态之间成功切换(擦除/编程比>10⁵)，具有较高的耐久性和稳定性。

图3. 超快非易失性存储器的机制。（a）V_ds=0.1 V(V_g=0 V)时非易失性存储器的电擦除操作，电编程操作，以及擦除/编程状态的读取。（b）编程和擦除操作期间的能带示意图。（c）测量的隧穿电流与电压V的关系。（d）高偏置时的Fowler-Nordheim(F-N)图。

图3a给出了三个完整的存储操作过程。首先，施加-40 V 1 s的背栅电压脉冲来完成擦除操作。随后，在V_g=0 V和V_ds=0.1 V时读取10^-6 A的擦除状态电流。同样，施加+40 V的背栅电压脉冲1s以完成编程操作，产生10^-13 A的编程状态电流。图3b给出了编程和擦除操作期间的能带示意图。当正向电压脉冲施加到背栅(图3b(i))时，ReS₂沟道中的电子穿过h-BN进入MLG并被俘获在那里。去除正栅极电压后，MLG俘获的电子由于电位势垒较大，无法返回ReS₂沟道，完成编程操作，形成高阻状态。相反，当施加负电压脉冲时(图3b(ii))，MLG中俘获的电子返回ReS₂沟道，完成擦除操作并将器件调谐到低电阻状态。先前的研究表明，在小栅极电压下，直接隧穿是主要的，而在大栅极电压下，Fowler-Nordheim(F-N)机制主导了隧穿过程。通过对漏极和FG电极施加电压来测试F-N隧穿电流来说明载流子隧穿机理。测试结果如图3c所示。图3d显示了测试得到的I-V曲线的F-N图，它们之间的线性关系表明F-N隧穿机制在器件中占主导地位。

图4. 超快非易失性存储器的电学多级存储特性。（a）使用不同幅度的电压脉冲实现多级存储。（b）在不同宽度-20 V脉冲下的多级存储。（c）不同数量-20 V，50 ns脉冲的多级存储。（d）通过施加一系列-20 V，50 ns脉冲得到130个不同的电平。

器件具有高擦除/编程电流比，可在单个存储单元中实现多级存储。图4a展示了本文器件通过改变栅极电压脉冲幅度实现的多级存储能力。在每次擦除之前，施加+40 V的背栅电压脉冲1s，设置器件处于低电流状态，即“0”状态。然后，施加持续时间为50 ns，幅度从-18到-30 V的负栅极电压脉冲，成功地将器件擦除到7个不同的电平，从而产生3位存储。同样，图4b展示了通过施加相同幅度但不同持续时间的负脉冲，器件的多级存储能力。在每次擦除过程之前，通过施加+40 V的背栅电压1s，将器件设置为“0”状态。然后，施加宽度从50到500 ns的-20 V栅极电压脉冲，产生16种不同的电流状态(4位)。本文进一步研究了施加一系列电脉冲来实现多级存储的可能性。由于载流子的隧穿过程较快，这种调制方式难以实现，因此报道相对较少。在此，本文的器件实现了30 ns的超快工作速度和10⁶的高擦除/编程比，这为实现这种调制方式提供了可能性。图4c显示了通过施加一系列-20 V和50 ns栅极电压脉冲，脉冲数从1到200得到的器件电流。该器件具有优异的保留特性，可实现十种可区分的电流存储状态。随后，在图4d中，对器件施加130个连续的-20 V和50 ns电压脉冲，产生130个可区分的电流状态，对应的存储容量大于7位。

图5. 超快非易失性存储器的光学多级存储特性。（a）激光调制下器件的工作机理。（b-d）在不同宽度、数量、功率激光脉冲照射下实现的多级存储。（e）不同频率激光脉冲调制的光电流的演变。（f）通过施加一系列光脉冲获得的45个不同电平。（g-i）超高速存储器在11、20和35脉冲作用下的长期保留性能。

图5描述了由不同宽度、数量和强度的光脉冲调制的器件多级存储能力。激光调制的机理如图5a所示。在每次光调制之前，通过正的背栅电压脉冲将器件初始化为高阻状态(图5a(i))。在光照下，由于浮栅中电子的吸引，光生空穴穿过势垒到达浮栅层，在浮栅中空穴与被俘获电子复合。然而，光生电子留在沟道中产生较大的光电流(见图5a(ii))。在光功率不变的情况下，光生电子的数量随光脉冲持续时间增加而增加。使用功率为0.223 mW/cm²的635 nm激光脉冲，持续时间分别为5、8、10和20 s，实现了四种不同的光存储状态，如图5b所示。图5c显示了通过施加一系列脉冲数从3到7不等的激光脉冲实现的2位存储器，其中激光波长、功率、宽度和间隔分别为635 nm、0.223 mW/cm²、2和4 s。激光功率也是决定光存储器性能的一个关键因素。图5d展示了通过调节激光功率从0.164到0.212 mW/cm²实现的四个存储水平。这是因为功率越大，在相同的持续时间内更多的光生电子留在沟道中，从而产生更高的光电值。当激光宽度固定为500ms，改变脉冲间距时，达到相同电流值所需的时间随着激光频率降低而增加，如图5e所示。随后，本文利用激光波长为635 nm，功率为0.223 mW/cm²，宽度为1 s，间距为4 s的连续光脉冲，研究了光多级存储能力。图5f显示，电流随着光脉冲数增加而逐步增加，直到饱和。总共获得了45个不同的电流状态，表明存储容量超过5位。图5g-i显示了分别施加11、20和35个光脉冲后的电流保留特性。在长达500 s的时间内，器件电流保持稳定，没有明显的衰减，表明保留性能良好。

总结与展望

本文开发了一种使用ReS₂/h-BN/石墨烯浮栅结构的2D超快光电多级存储器。该存储器具有113.36 V的超大存储窗口、10⁷的擦除/编程比、30 ns的超快工作速度、>1000次循环、>1100 s保留性能等优异的非易失性存储性能，并实现了大于7位的电压调制多级存储和大于5位的光调制多级存储。本文的浮栅存储器显示出开发下一代高速、非易失性且多级存储器的潜力。

文献信息

An Ultrafast Multibit Memory Based on the ReS₂/h-BN/Graphene Heterostructure

（ACS Nano, 2024, DOI:10.1021/acsnano.4c06642）

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06642