[论文解读] Tunable charge-trap memory based on few-layer MoS2

Enze Zhang, Weiyi Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2014

2D Materials and Applications参考文献 36被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于少层MoS2沟道和3D Al2O3/HfO2/Al2O3电荷陷阱堆栈的可调谐双栅电荷陷阱存储器。该器件实现了超过20 V的记录记忆窗口，通过背栅偏置可调谐范围为15.6 V至21 V，编程/擦除电流比达到10⁴，且具有优异的保持性能，10年后仅出现28%的电荷损失，展现出高性能及多比特存储潜力。

ABSTRACT

Charge-trap memory with high-\k dielectric materials is considered to be a promising candidate for next-generation memory devices. Ultrathin layered two-dimensional (2D) materials like graphene and MoS2 have been receiving much attention because of their novel physical properties and potential applications in electronic devices. Here, we report on a dual-gate charge-trap memory device composed of a few-layer MoS2 channel and a three-dimensional (3D) Al2O3/HfO2/Al2O3 charge-trap gate stack. Owing to the extraordinary trapping ability of both electrons and holes in HfO2, the MoS2 memory device exhibits an unprecedented memory window exceeding 20 V. More importantly, with a back gate the window size can be effectively tuned from 15.6 to 21 V; the program/erase current ratio can reach up to 104, far beyond Si-based flash memory, which allows for multi-bit information storage. Furthermore, the device shows a high mobility of 170 cm2V-1s-1, a good endurance of hundreds of cycles and a stable retention of ~28% charge loss after 10 years which is drastically lower than ever reported MoS2 flash memory. The combination of 2D materials with traditional high-\k charge-trap gate stacks opens up an exciting field of novel nonvolatile memory devices.

研究动机与目标

• 开发一种基于二维MoS2作为沟道材料的高性能非易失性存储器器件。
• 解决传统硅基闪存存储器存在的缩放难题和多比特存储能力有限等局限性。
• 利用HfO2的电荷陷阱特性以及双栅结构的可调谐性，以增强记忆窗口和控制能力。
• 实现高迁移率、优异耐久性及长保持时间，以满足下一代存储器件实际应用的需求。

提出的方法

• 器件采用双栅结构，以少层MoS2作为沟道，并集成3D Al2O3/HfO2/Al2O3电荷陷阱栅堆栈。
• 由于HfO2具有高介电常数和深能级陷阱态，电子和空穴被俘获于HfO2层中。
• 通过背栅调节MoS2沟道中的费米能级和电荷分布，实现对记忆窗口的调控。
• 器件采用标准光刻和物理气相沉积技术制备，电学特性在不同栅压条件下进行表征。
• 通过长时间测试和多次循环，评估电荷保持性能和耐久性，以评估其稳定性和可靠性。
• 通过向控制栅和背栅施加合适的电压，实现对电荷注入或提取的编程/擦除操作控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 少层MoS2沟道能否实现具有大记忆窗口的高性能电荷陷阱存储器？
• RQ2 在双栅结构中，背栅偏置对记忆窗口的调控效果如何？
• RQ3 基于MoS2和HfO2基电荷陷阱层的电荷陷阱存储器在长期运行下的保持稳定性如何？
• RQ4 编程/擦除电流比是多少？与传统硅基闪存相比有何差异？
• RQ5 该器件能否实现高迁移率和良好耐久性，以适用于实际的多比特存储应用？

主要发现

• 器件实现记忆窗口超过20 V，且通过背栅偏置可调谐范围达15.6 V至21 V，展现出卓越的可调谐性。
• 编程/擦除电流比最高可达10⁴，显著高于传统硅基闪存存储器。
• MoS2沟道表现出170 cm²V⁻¹s⁻¹的高迁移率，表明其具有优异的载流子输运性能。
• 器件展现出良好的耐久性，在数百次编程/擦除循环后无明显退化。
• 经过10年保持测试后，仅观察到28%的电荷损失，远低于以往报道的MoS2闪存器件。
• 2D MoS2与高k电荷陷阱堆栈的结合，实现了一种新型高性能非易失性存储架构，具备多比特存储能力。