[发明专利]石墨烯存储单元及其制造方法

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及一种存储单元以及制造存储单元的方法。更具体而言，本发明涉及但并不仅仅涉及一种基于石墨烯的存储单元及其制造方法。 

背景技术

对于需要高密度、超紧凑和低功率消耗的存储装置来代替使用大而笨重的硬盘驱动器的高性能数字照相机、mp3播放器、闪存驱动器和闪存卡、移动电话、个人数码助理(PDA)以及超便携笔记本个人电脑(PC)而言，对存储器且具体而言是非易失性存储器存在大量的需求。 

非易失性存储器的一个实例是NAND快闪存储器。本质上，NAND快闪存储器的每一存储单元除控制栅极之外还包括具有额外栅极(称为浮栅)的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiMOSFET)。浮栅由绝缘层包围，绝缘层用于捕获任何通过热电子隧穿插入浮栅的电荷。浮栅中存在或缺少电荷会影响通过MOSFET沟道的电流，感测该电流以确定存储单元是将数据值保持为“1”还是“0”。 

近几年来，由于与硬盘驱动器相比具有较快的速度和更紧凑的结构、简单的电路设计以及因其积极主动的可扩展性而快速增加的容量，NAND快闪存储器已成长为十亿美元的产业。NAND的主要缺点是其较慢的随机存取时间，随机存取时间在第一个字节为25μs。NAND闪存还具有有限的写入-擦除循环次数，对于块0为100,000个循环，对于其他块则没有保证。与NAND闪存有关的另一个缺点是有必要进行“块擦除”，这意味着尽管NAND闪存的每一位均可从1变化至0，但如果具体块的一个位需要从0 变换至1，则需要将整个块(2112个字节)擦除至1。NAND闪存还需要高电压(220V)用于写入和擦除过程。 

另一非易失性存储器是铁电RAM(FeRAM)，其利用铁电电容器进行数据存储。在FeRAM中，“1”和“0”数据值由两个相反的极化状态表示，该极化状态不用电力即可保存。与NAND闪存不同，FeRAM仅需要比读取电压略高的写入电压。另外，读取和写入两者均可在FeRAM中以逐位的方式进行。这两个特征使FeRAM具有比NAND闪存小的功率消耗，且具有更平衡的读取和写入操作。FeRAM的速度与动态随机存取存储器(DRAM)相差无几，但远快于NAND闪存。通过强迫FeRAM单元进入某特定状态(例如“0”状态)来实施FeRAM单元的读取。如果单元已保持“0”，则在输出线观察不到变化。如果单元保持“1”，则强迫进入相反状态会导致在输出线出现短时电流脉冲。于是，单元的数据值由存在或缺少该脉冲决定。然而，FeRAM的主要缺点是“1”状态的读取过程具有破坏性，且需要后续的重新写入过程将该状态恢复至“1”。另外，FeRAM的扩展性仍不清楚。 

发明内容

概括地说，本发明涉及一种存储单元，该存储单元包括作为工作介质的石墨烯。可通过使用已知的栅极电介质来切换石墨烯以提供易失性操作，同时可通过使用铁电层作为栅极电介质来切换石墨烯以提供非易失性操作。 

按照一个具体表述，本发明涉及一种存储单元，该存储单元包括石墨烯层，石墨烯层具有代表该存储单元的数据值的可控电阻状态。 

优选地，该存储单元进一步包括用以控制电阻状态的铁电层。 

优选地，石墨烯层被构造成在将铁电层去极化为剩余极化强度为零时处于高电阻状态，并且，该石墨烯层被构造成在将铁电层极化为剩余极化强度不为零时处于低电阻状态。在另一形式中，存储单元进一步包括电性连接至铁电层的上电极，其中石墨烯层被构造成在对上电极施加非对称电 压扫描以进行铁电去极化时处于高电阻状态，且其中石墨烯层被构造成在对上电极施加对称电压扫描以极化铁电层时处于低电阻状态。 

优选地，该高电阻状态和所述低电阻状态均具有大于500％的电阻变化率。由于能够清楚地描述电阻状态所代表的数据值(例如0和1)，所以这是有利的，尽管50％的电阻变化率即足以实现此目的。 

优选地，在第一形式中，将石墨烯层设置于铁电层与导电基板上的介电层之间。在此种形式中，该方法优选地进一步包括在铁电层上形成的上电极。在第二形式中，将铁电层设置于石墨烯层与导电基板上的介电层之间。在此第二形式中，在介电层(使用基板)上优选地具有下电极。在第三形式中，将外延铁电层设置于石墨烯层与导电氧化物基板之间。在第一和第三形式中，导电基板和导电氧化物基板均作为下电极。