hBN忆阻器， Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2025-08-04

研究背景

二维材料在先进互补金属氧化物半导体（CMOS）及超越CMOS电子器件（包括类脑计算和内存计算）中展现出巨大潜力。六方氮化硼（hBN）因其优异的电子性能、机械稳定性和化学稳定性，成为非易失性阻变存储器（即忆阻器）器件的理想候选材料。

然而，将hBN忆阻器与硅基CMOS电子器件集成仍面临挑战，因为这通常需要高温合成（超过CMOS热预算）或转移工艺，而转移过程易引入缺陷，影响器件性能和可靠性。

在此，亚利桑那州立大学Ivan Sanchez Esqueda教授团队和新加坡国立大学马里奥·兰萨（Mario Lanza）教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“On-chip direct synthesis of boron nitride memristors”的最新论文。在本研究中，研究人员提出了一种在CMOS兼容温度（低于380 °C）下，通过电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PECVD）直接合成hBN薄膜的方法，从而实现了无需转移、具备优异电学性能的CMOS兼容hBN忆阻器。研究表明，所制备的hBN薄膜呈多晶结构，具有类乱层特征，且在晶圆尺度上展现出良好的形貌均匀性（包括尺寸、形状与取向）。

研究人员展示了大规模hBN忆阻器阵列，其具备高良率（约90%）、优异的稳定性（耐久性、保持性和重复性）、高精度多态编程能力（超过16个可控电导态）以及低频噪声特性，表现出极低的随机电报噪声。

此外，忆阻器被直接集成于工业级CMOS测试芯片中，形成一晶体管一忆阻器（1T1M）结构，并实现了百万次以上的高编程耐久性，显示出高水平的技术成熟度。这一成果标志着基于hBN忆阻器的电子器件向晶圆级CMOS集成迈出了关键一步。

研究亮点

（1）实验首次在CMOS兼容温度（低于380 °C）下，利用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积（ECR-PECVD）方法，直接在晶圆上合成了无需转移的六方氮化硼（hBN）薄膜，成功制备出具备优异电学性能的CMOS兼容忆阻器，解决了传统高温CVD法和低温转移工艺带来的集成难题和性能不稳定问题。

（2）实验通过构建类乱层结构的多晶hBN薄膜，实现了器件阵列的高良率（超过90%）、稳定的非易失性阻变特性和优异的多态可编程性能（支持超过16个电导态），展示了其在类脑计算与内存计算中的潜力。

（3）进一步测试表明，该器件在不同电导态下保持低频噪声水平，表现出极低的随机电报噪声，有助于提升器件稳定性和精度，满足高精度神经网络计算需求。

（4）研究还首次实现了将PECVD hBN忆阻器直接集成于工业级CMOS芯片上，构建了“一晶体管一忆阻器”（1T1M）单元结构，并在百万次以上的编程循环中保持出色的耐久性，表明该技术具备较高的工艺成熟度和可扩展性。

图文解读

图1:通过CMOS兼容PECVD的无转移hBN忆阻器。

图2:具有高成品率，稳定的非易失性电阻开关特性。

图3:使用电压脉冲的高精度电导编程。

图4:ECR-PECVD hBN忆阻器的近理想噪声性能。

图5:工业Si-CMOS忆阻器测试车辆中的PECVD BN集成。

总结展望

本研究证明了在低于传统高温阈值的CMOS兼容温度下，利用电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术能够直接制备高质量的六方氮化硼薄膜，突破了传统高温合成与转移工艺对器件集成和性能稳定性的制约。其次，本文所制备的hBN忆阻器展现出高良率、多态稳定编程及低噪声等优异电学性能，表明通过合理调控二维材料的微观结构与沉积工艺，可显著提升忆阻器的可靠性和功能多样性。

此外，将忆阻器直接集成于工业级CMOS测试芯片，实现了百万次以上的高耐久性编程，验证了该技术具备较高的工艺成熟度和应用潜力。这一成果为实现晶圆级大规模生产和商业化应用奠定了基础，推动了二维材料在类脑计算和内存计算等新兴电子系统中的实际落地。总之，本文展示了二维材料忆阻器的低温可控制备与CMOS兼容集成的可行路径，为未来构建高性能、低功耗的混合电子系统提供了科学指导和技术支撑。

原文详情：

Xie, J., Yekta, A.E., Mamun, F.A. et al. On-chip direct synthesis of boron nitride memristors. Nat. Nanotechnol. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01988-z