传统基于CMOS的硅基器件在温度超过200°C时表现出显著的可靠性问题，而基于宽禁带（WBG）半导体的逻辑晶体管虽然能在高达800°C的温度下工作，但开发出能在300°C以上可靠编程和保持数据的非易失性存储器（NVM）仍是一大挑战。然而，空间探索、深井钻探、核能和自动驾驶汽车等领域的应用要求电子元件在500°C以上保持稳定。因此，探索新材料以克服传统技术的热限制成为迫切需求。本研究旨在开发一种能在极端高温环境下稳定工作的新型非易失性存储器。
本研究提出了一种基于石墨烯（Gra）/氧化铪（HfOₓ）/钨（W）结构的新型双极性忆阻器，以解决高温环境下的非易失性存储问题。研究团队将传统Pt/HfOₓ/W器件中的惰性Pt底电极替换为二维Gra层，利用W电极的高熔点以及HfOₓ作为忆阻器的开关层。通过 wafer-scale 合成技术制备Gra层，并采用电子束光刻（EBL）和射频磁控溅射技术依次沉积HfOₓ薄膜和W电极。器件制备完成后，进行快速热退火处理以改善接触质量。研究团队通过原位高温测试、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和电子能量损失光谱（EELS）等手段，系统评估了Gra/HfOₓ/W器件的高温性能及其机制。
图1A展示了Gra/HfOₓ/W忆阻器的结构示意图，其中多层石墨烯片通过机械剥离转移到Si/SiO₂基板上，随后通过EBL图案化电阻开关层，并利用射频磁控溅射沉积7.5 nm厚的HfOₓ薄膜，最后通过直流磁控溅射沉积40 nm厚的W电极。图1B显示了Gra/HfOₓ/W器件在不同温度下的直流电流-电压（I-V）特性曲线，表明器件在室温至700°C范围内均能保持稳定的开关行为，且ON/OFF电流比保持在三个数量级以上。图1C进一步展示了器件在700°C下的数据保持性能，经过50小时的持续测试，ON和OFF状态均未出现明显的电阻漂移，显示出优异的高温稳定性。图1D则呈现了器件在700°C下的写入耐久性，通过脉冲开关测试，器件能够承受超过10⁹次的开关循环，同时保持稳定的ON/OFF电流比。此外，图1E和1F分别展示了器件在不同温度下的电压波形和电流响应，证明器件能在30 ns的脉冲宽度下实现可靠的开关操作。最后，图1G展示了一个32×32（1K）的交叉阵列光学图像，验证了Gra/HfOₓ/W器件在大规模集成中的潜力。
文献：DOI: 10.1126/science.aeb9934
High-temperature memristors enabled by interfacial engineering
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