伦敦大学玛丽皇后学院Zhichao Weng和Oliver Fenwick课题组–在蓝宝石晶圆上直接生长的单层石墨烯电极忆阻器

在忆阻器中使用石墨烯作为电极还可以增加抗降解机制的稳健性，包括氧空位扩散到电极和不需要的金属离子扩散。然而，为了实现这一技术转型，有必要建立一个可扩展的、健壮的、具有成本效益的设备制造工艺。在这里，报告了使用市售的金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统，以可批量生产、无污染和无转移的方式在蓝宝石晶圆上直接生长高质量单层石墨烯。利用这种方法，基于石墨烯电极的忆阻器被开发出来，并且在包含石墨烯电极的器件制造中使用的所有工艺都可以在晶圆规模上进行。基于石墨烯电极的忆阻器在耐用性、保持性和开/关比方面表现出了很好的特性。这项工作为以商业和技术可持续的方式实现强大的石墨烯基忆阻器提供了一条可能和可行的途径，为未来实现更强大、更紧凑的集成石墨烯电子器件铺平了道路。

图1.(a)石墨烯电极忆阻器的显微图。虚线区域内是图案化的石墨烯/AlO_x条带。(b)图案化石墨烯/AlO_x条带边缘的AFM图像。(d)横断面的线形图，虚线所示。(c)石墨烯电极忆阻器的三维结构。记忆结在虚线方形区域突出显示，插图说明了结(Au – AlO_x – TiO_x -石墨烯)的细节。在该器件结构中，Au用作上电极(TE)，石墨烯用作下电极(BE)。

图2. 石墨烯电极基忆阻器制造的一般工艺流程。(a)通过工业标准MOCVD系统在蓝宝石晶圆上生长大规模单层石墨烯;(b)来自单个制造批次的一个石墨烯晶圆，(c)是晶圆上的放大区域。(d)在晶圆片上热蒸发薄层AlO_x。(e-g)石墨烯底电极(BE)定义。光抗蚀剂被旋转涂覆在晶圆的顶部，并通过工业标准的光刻工艺开发光抗蚀剂蚀刻掩模。湿蚀刻和干蚀刻分别在AlO_x和石墨烯上进行，用于活性区域的图案化。(h)和(i)接触垫定义。采用光刻工艺制备接触垫蒸发掩膜，然后进行金属(Ti/Au)沉积和抗蚀剂/残余金属剥离工艺。(j – 1)忆阻器活性材料的沉积和提升。沉积Ti薄膜，然后热氧化生成TiOx(重复一次以增加厚度)。然后进行另一光刻工艺以确定电介质和TE的面积。随后通过原子层沉积(ALD)和热蒸发(Au)沉积薄AlO_x层。在设备完成之前，进行最后一步的抗蚀剂/残余金属剥离。最后通过原理图和照片说明了完整的忆阻器器件晶圆。

图3. 经过几个光刻步骤后，蓝宝石衬底上生长的石墨烯和成品记忆电阻器中的石墨烯减去背景后的拉曼光谱(532 nm激发)。计算得到的石墨烯的峰面积比特征值为I_D/I_G = 0.25±0.02,I_2D/I_G = 3.96±0.16;成品忆阻器中石墨烯的I_D/I_G = 0.25±0.04,I_2D/I_G = 2.26±0.21。生长石墨烯的G峰为11.8±0.7，成品石墨烯的G峰为15.0±1.6。平均值为2片不同晶圆上3-4个不同点的数据的算术平均值，误差条为实验误差和光谱拟合误差的误差传播所产生的标准误差。

图4. (a)低源率(0.5 Hz – 1 Hz)的单个石墨烯电极忆阻器的电流-电压(IV)初始扫描。有3轮连续扫描，第一轮扫描纯色填充，其他扫描稍微透明，以更好地观察目的。箭头表示电压扫向。 (b)在整个电源电压范围内，使用(a)中相应的开/关电流计算的开/关比。

图5.石墨烯电极基忆阻器的续航和保持特性。(a)和(b)忆阻器驱动电压信号模式和器件电流示意图。(c)和(d)分别为器件电压(V_set和V_reset)和器件电阻(R_on和R_off)的持久特性和(e)和(f)保持特性。(g)设置和重置周期时间。

相关研究成果由伦敦大学玛丽皇后学院Zhichao Weng和Oliver Fenwick 课题组2024年发表在ACS Applied Electronic Materials (链接:https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c01208)上。

原文：Memristors with Monolayer Graphene Electrodes Grown Directly on Sapphire Wafers