[论文解读] Graphene Nanotechnology for the Next Generation Nonvolatile Memory

Md. Nahid Hossain, Masud H. Chowdhury|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Graphene research and applications参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯纳米带场效应晶体管（GNRFETs）的新型非易失性存储器设计，采用高捕获容量氧化层，利用石墨烯卓越的电子特性，实现超高密度存储应用。研究证明，GNRFETs在保持性和可扩展性方面优于碳纳米管场效应晶体管（CNTFETs），使石墨烯纳米技术成为超越硅基极限的下一代非易失性存储器的领先候选方案。

ABSTRACT

As conventional silicon technology is approaching its fundamental material and physical limits with continuous scaling, there is a growing push to look for new platform to design memory circuits for nanoelectronic applications. In this paper we explore new design concept of nonvolatile memory based on graphene nanotechnology. The investigation focuses on two forms of graphene based field effect transistor (FET) carbon nanotube FET (CNTFET) and graphene nanoribbon FET (GNRFET). The analysis reveals that GNRFET with a high trapping capable oxide layer is suitable for ultra high ensity nonvolatile memory.

研究动机与目标

• 通过探索替代纳米材料平台，解决传统硅基存储器在物理和材料层面的扩展极限。
• 研究基于石墨烯的场效应晶体管（FETs）在非易失性存储应用中的可行性。
• 从存储性能和可扩展性角度，比较GNRFET与CNTFET架构的差异。
• 确定适用于超高密度非易失性存储的最优石墨烯基结构。
• 评估高捕获容量氧化层在提升存储保持性和稳定性方面的作用。

提出的方法

• 本研究采用理论分析与仿真方法，对两种基于石墨烯的FET架构（GNRFET与CNTFET）进行研究。
• 在GNRFET结构中集成高捕获容量氧化层，以实现电荷存储，支持非易失性操作。
• 基于保持时间、阈值电压漂移和可扩展性等关键指标，评估器件性能。
• 分析在栅压作用下，石墨烯纳米带沟道的静电特性与输运行为。
• 对GNRFET与CNTFET进行对比仿真，评估其存储稳定性与密度潜力。
• 模型假设石墨烯具有理想特性及理想氧化物界面，以隔离结构与电荷捕获的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有高捕获能力氧化层的石墨烯纳米带FET能否实现稳定、长期的电荷存储，以支持非易失性存储？
• RQ2 GNRFET在保持性和可扩展性方面与CNTFET相比表现如何？
• RQ3 高捕获容量氧化层在提升记忆窗口和数据保持性方面发挥何种作用？
• RQ4 基于石墨烯的FET能否克服硅基存储器在纳米尺度下的物理限制？
• RQ5 GNRFET中的哪些结构与材料参数可最大化存储密度与可靠性？

主要发现

• 集成高捕获容量氧化层的GNRFET在电荷保持性和稳定性方面优于CNTFET。
• GNRFET架构凭借其原子级厚度、一维结构，可实现超高密度存储集成。
• 理论分析证实，即使在10 nm以下的沟道长度下，GNRFET仍能维持显著的记忆窗口。
• 高捕获能力氧化层有效降低电荷泄漏，从而延长数据保持时间。
• GNRFET在可扩展性和静电控制方面优于CNTFET，更适合未来纳米尺度存储器件。
• 研究结论认为，石墨烯纳米带FET比CNTFET更具可行性，是下一代非易失性存储器的更优平台。