[論文レビュー] Nonvolatile Memory Cells Based on MoS2/Graphene Heterostructures

Simone Bertolazzi, Krasnozhon, Daria+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2013

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、半導体チャネルとしてモノレイヤーMoS2と高導電性電極としてグラフェンを組み合わせた2次元ヘテロ構造を用いた非揮発性メモリセルを提案する。このデバイスは、MoS2の電荷感受性に起因して、プログラム状態とエラー状態の間で10,000倍の対比比を達成しており、大規模統合が可能なスケーラブルで柔軟なナノエレクトロニクスを実現する。

ABSTRACT

Memory cells are an important building block of digital electronics. We combine here the unique electronic properties of semiconducting monolayer MoS2 with the high conductivity of graphene to build a 2D heterostructure capable of information storage. MoS2 acts as a channel in an intimate contact with graphene electrodes in a field-effect transistor geometry. Our prototypical all-2D transistor is further integrated with a multilayer graphene charge trapping layer into a device that can be operated as a nonvolatile memory cell. Because of its band gap and 2D nature, monolayer MoS2 is highly sensitive to the presence of charges in the charge trapping layer, resulting in a factor of 10000 difference between memory program and erase states. The two-dimensional nature of both the contact and the channel can be harnessed for the fabrication of flexible nanoelectronic devices with large-scale integration.

研究の動機と目的

• 次世代の柔軟でスケーラブルなエレクトロニクス向けに、2次元材料を用いた非揮発性メモリセルの開発を目的とする。
• モノレイヤーMoS2の電荷調制に高い感受性を示す特性を活用し、強固なメモリ状態を実現することを目的とする。
• グラフェン電極と多層グラフェン電荷トラッピング層を統合し、機能的な2次元メモリデバイスを構築することを目的とする。
• すべて2次元ヘテロ構造を採用することで、大規模統合の可能性を実証することを目的とする。
• 原子スケールで高安定性なオン/オフ比と安定したメモリ動作を達成することを目的とする。

提案手法

• チャネルにモノレイヤーMoS2、ソースおよびドレイン電極にグラフェンを用いたフィールド効果トランジスタの作製。
• MoS2チャネル上に多層グラフェン層を電荷トラッピング層として統合。
• 静電的ゲートを用いて、グラフェントラッピング層への電荷注入または除去によってデバイスをプログラムおよび消去。
• ゲート電圧を変化させた際のデバイスの電気的応答を測定し、メモリウインドウと安定性を評価。
• 原子スケールの界面品質と機械的柔軟性を確保するため、2次元ヘテロ構造アーキテクチャを採用。
• MoS2の固有のバンドギャップを活用し、トラップされた電荷に対する感受性を高め、チャネル電導度の大きな変調を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoS2とグラフェンの2次元ヘテロ構造は、安定した非揮発性メモリセルとして機能可能か？
• RQ2 このようなデバイスにおいて、プログラム状態とエラー状態の間で達成可能な電導度変調の大きさはどの程度か？
• RQ3 材料の2次元性は、ナノエレクトロニクス統合におけるスケーラビリティと柔軟性をどのように実現するか？
• RQ4 モノレイヤーMoS2のバンドギャップは、グラフェン層内の電荷トラッピングにどの程度感受性を高めるか？
• RQ5 デバイスは繰り返しのライト・エラー操作を経ても、安定したメモリ状態を維持できるか？

主な発見

• デバイスは、プログラム状態とエラー状態の間で電導度に10,000倍の差を示し、強力なメモリ対比比を実証した。
• MoS2チャネルは、その固有のバンドギャップと2次元性のおかげで、電荷調制に対して高い感受性を示した。
• 多層グラフェンを電荷トラッピング層として統合することで、効果的で安定した電荷貯蔵が可能になった。
• すべて2次元ヘテロ構造の設計により、機械的柔軟性と大規模統合の可能性が確保された。
• 静電的ゲートを用いた場合、明確に区別できるメモリ状態の区別が可能であり、メモリ動作は強固で繰り返し可能であった。
• デバイスは、安定した保持特性と高いオン/オフ比を示し、ナノスケールの応用に適した非揮発性メモリセルとして動作した。