[發(fā)明專利]一種基于石墨烯懸梁結構的存儲器及其制備方法

在審

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• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN106997925A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發(fā)明（設計）人: 池憲念;張健;鄧婭;孫連峰
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟,侯瀟瀟

技術領域

本發(fā)明屬于阻變存儲器技術領域，涉及一種基于石墨烯懸梁結構的存儲器及其制備方法，尤其涉及一種基于石墨烯懸梁結構和鐵磁性材料的非易失性存儲器及其制備方法。

背景技術

隨著數(shù)字高科技的飛速發(fā)展，對現(xiàn)有信息存儲產品的性能提出了更高的要求，例如：高速度、高密度、長壽命、低成本和低功耗等要求。電阻型存儲器技術是基于存儲單元可以在電信號的作用下在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間進行切換的工作原理。利用該原理做成電器元件時，可以對其施加不同的電壓，使其進入到不同的狀態(tài)，具有非易失性。隨著微納加工技術和材料制備技術的發(fā)展，非易失性存儲器成為今年的研究熱點，由于其存儲密度高、響應速度快、制造成本低以及可以實現(xiàn)三維存儲等優(yōu)點而被認為是具有發(fā)展前景的下一代存儲器。

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子(或更準確地應稱為“載荷子”)的性質和相對論性的中微子非常相似。石墨烯的另一特性是，其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。還有，其導熱性超過現(xiàn)有一切已知物質。石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導熱系數(shù)高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過 15000cm²/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10^-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

目前，關于碳基材料鐵磁性的研究是一個熱點領域。在之前的研究工作中，申請人曾利用了一種最古老也是最有效的方法來研究碳基材料的局域鐵磁性：鐵磁體對鐵屑的吸引現(xiàn)象。我們通過研究鐵磁性金屬原子、順磁性金屬原子以及抗磁性金屬原子在石墨烯邊緣截然不同的聚集行為，提出并證明石墨烯邊緣具有本征磁矩。

阻變存儲器被證明具有良好的尺寸縮小潛力，能夠在未來實現(xiàn)高密度集成，而且它的存儲窗口優(yōu)秀，具有良好的數(shù)據(jù)保持特性和抗擦寫能力。其原理在于，阻變材料在外加電壓的激勵下，能夠在高阻狀態(tài)和低阻狀態(tài)之間實現(xiàn)轉換。

CN 105161617A公開了一種平面結構的阻變存儲器及其制備方法，其所述的阻變存儲器具有形成于阻變功能層的兩端的石墨烯電極，利用石墨烯材料的高遷移率特性，實現(xiàn)阻變存儲器的低功耗運行。

CN 104681718A公開了一種基于石墨烯氧化物的阻變隨機存儲器及其制備方法。所述阻變隨機存儲器包括柵極、柵絕緣層、源極、漏極、有源區(qū)、位于有源區(qū)和源極及漏極之間的石墨烯層以及存儲單元。存儲單元包括上電極、下電極以及上下電極之間的阻變層，其中阻變層為石墨烯氧化物。其中石墨烯層為石墨烯氧化物層經過還原形成。

然而上述阻變存儲器均存在因能耗高以及發(fā)熱量大而導致阻變存儲器集成度無法繼續(xù)提高的問題。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術中石墨烯存儲器存在的因能耗高以及發(fā)熱量大而導致阻變存 儲器集成度無法繼續(xù)提高的問題，本發(fā)明在石墨烯邊緣具有本征磁矩的基礎上，提供了一種基于石墨烯懸梁結構的存儲器及其制備方法。所述基于石墨烯懸梁結構的存儲器是一種新型的非揮發(fā)性隨機存儲器，其可與硅基半導體工藝兼容，具有成本低、功耗低、結構簡單、存儲速度快以及可高密度集成等優(yōu)點，能夠有效的解決原有的存儲器發(fā)展的瓶頸問題。

本發(fā)明所述基于石墨烯懸梁結構的存儲器的本質在于由石墨烯基材料制備得到的一端固定，另一端自由的石墨烯懸梁，利用石墨烯邊緣的局域磁性，可以實現(xiàn)石墨烯懸臂梁和磁性第二電極之間形成高電阻(即石墨烯懸臂梁和磁性第二電極斷開的狀態(tài))和低電阻(即石墨烯懸臂梁和磁性第二電極接觸的狀態(tài))兩種穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)“0”與“1”的存儲。并且，信息的“讀”、“寫”和“擦”可以通過第一電極、第二電極和第三電極來實現(xiàn)。

為達上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：