“史上最快閃存技術(shù)”登Nature！復(fù)旦新成果突破閃存速度理論極限，每秒執(zhí)行操作2500000000次

克雷西 2025-04-23 14:36:31 來(lái)源：量子位

克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

史上最快的閃存器件，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)造！

其研發(fā)的皮秒閃存器件“破曉（PoX）”登上了Nature，擦寫速度達(dá)到了亞納秒級(jí)，比現(xiàn)有速度快1萬(wàn)倍。

并且數(shù)據(jù)不易丟失，按照實(shí)驗(yàn)外推結(jié)果，保存年限可達(dá)十年以上。

具體來(lái)看，基于一些新的發(fā)現(xiàn)，作者把傳統(tǒng)閃存中的硅替換成了石墨烯等二維材料，制作出了這種亞納（10^-9）秒級(jí)閃存器件。

在低至5V的編程電壓下，這種器件可以實(shí)現(xiàn)400皮（10^-12）秒的超快編程速度，相當(dāng)于每秒操作25億次。

在此速度之下，器件的編程/擦除循環(huán)壽命超過550萬(wàn)次。

用二維材料實(shí)現(xiàn)熱載流子注入

這項(xiàng)工作的核心，就是作者發(fā)現(xiàn)的二維材料增強(qiáng)的熱載流子注入機(jī)制。

在傳統(tǒng)硅基器件中，當(dāng)柵極施加一個(gè)較高的正電壓時(shí)，源端的電子在橫向電場(chǎng)的作用下被加速，形成“熱”電子。

這些高能電子不斷向漏端運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其能量達(dá)到一定閾值后，有一定概率越過柵介質(zhì)勢(shì)壘，最終被注入到柵極一側(cè)。

這個(gè)過程通常被稱為電子的熱載流子注入，是實(shí)現(xiàn)閃存編程的重要手段之一。

然而，受限于體硅材料的性質(zhì)——電子的有效質(zhì)量較大且容易受到聲子散射等因素影響——經(jīng)典熱載流子注入機(jī)制的效率較低。

研究人員提出，二維材料獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，有望徹底改變這一局面。

以石墨烯為例，其獨(dú)特的線性色散關(guān)系意味著載流子的有效質(zhì)量接近于零，因此在相同電場(chǎng)下更容易被加速。同時(shí)，石墨烯中電子和空穴的遷移率極高，散射概率大大降低。

更關(guān)鍵的是，當(dāng)材料的厚度減小到納米尺度時(shí)，器件溝道內(nèi)部電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生顯著變化。

具體而言，器件溝道從源端到漏端可分為高、低電阻兩個(gè)區(qū)域。

當(dāng)溝道厚度減小時(shí)，整體電阻率急劇上升，但低電阻區(qū)（源端）電阻率的上升幅度要小于高電阻區(qū)（漏端）。當(dāng)溝道厚度降至2納米左右時(shí)，漏端附近的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度將是體硅器件的數(shù)倍。

在如此高的水平電場(chǎng)作用下，載流子能夠在納米尺度的距離內(nèi)被加速至極高的能量，散射被大大抑制。同時(shí)，垂直方向上超薄的溝道厚度也大大降低了載流子越過柵介質(zhì)勢(shì)壘所需的能量。

在橫向加速和縱向注入的雙重增強(qiáng)作用下，載流子注入效率將較傳統(tǒng)硅基器件提高數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

并且，這種“二維材料增強(qiáng)效應(yīng)”在不同類型的二維材料中具有普適性。

結(jié)構(gòu)與制備過程

基于這樣的原理，作者使用石墨烯和二硒化鎢（WSe?）兩種二維材料分別制備了不同的閃存。

結(jié)構(gòu)上看，兩種閃存都采用了“三明治結(jié)構(gòu)”，從上到下依次包括源漏電極、溝道層、存儲(chǔ)堆疊結(jié)構(gòu)、金屬柵極和硅襯底，石墨烯版的存儲(chǔ)堆疊結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)電荷存儲(chǔ)層。

石墨烯和二硒化鎢兩種方案在各層中使用的材料，可見下面的表格：

在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在源極和漏極之間施加電壓時(shí)，載流子會(huì)在優(yōu)化的水平電場(chǎng)中被快速加速。

由于二維材料的特性，這些載流子可以在很短的距離內(nèi)獲得足夠高的能量，然后在垂直電場(chǎng)的作用下注入到陷阱層（注：在閃存中，信息的存儲(chǔ)和擦除是通過向浮柵或陷阱層注入或抽出電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的）中。

為了制備出基于二維材料的新型閃存器件，作者首先通過機(jī)械剝離的方法，從高質(zhì)量的塊體二硒化鎢和石墨烯晶體上得到了原子級(jí)厚度的單層或少層二硒化鎢和石墨烯薄片。

接下來(lái)，作者采用干法轉(zhuǎn)移技術(shù)，將剝離得到的二硒化鎢或石墨烯薄片轉(zhuǎn)移到預(yù)先制備好的硅/二氧化硅襯底上。

襯底上預(yù)先生長(zhǎng)了一層高質(zhì)量的六方氮化硼（hBN）薄膜，作為二維材料與襯底之間的絕緣隔離層和保護(hù)層。

在轉(zhuǎn)移完成后，作者采用電子束曝光和金屬蒸鍍的方法，在二維材料一端制備了源極和漏極金屬電極——

• 對(duì)于二硒化鎢器件，作者選擇了高功函數(shù)的銻/鉑作為接觸金屬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二硒化鎢的p型摻雜和空穴注入。
• 對(duì)于石墨烯器件，作者則采用了與石墨烯功函數(shù)匹配良好的鉻/金電極，以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的歐姆接觸和雙極性載流子注入。

為了確保金屬原子在二維材料表面的均勻生長(zhǎng)和緊密貼合，作者對(duì)金屬蒸鍍的條件——包括蒸鍍速率、真空度和襯底溫度等參數(shù)——進(jìn)行了精細(xì)的優(yōu)化。

金屬電極制備完成后，作者采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法，在器件表面沉積了一層高質(zhì)量的氧化鋁薄膜，作為閃存器件的柵介質(zhì)層和電荷存儲(chǔ)層。

為了進(jìn)一步提高電荷存儲(chǔ)效率，作者在氧化鋁層上方又沉積了一層二氧化鉿薄膜，形成了“二元介質(zhì)層”結(jié)構(gòu)。

最后，作者采用電子束蒸鍍的方法，在器件表面制備了柵極金屬電極。

這種高效的注入機(jī)制最終實(shí)現(xiàn)了突破性的性能——其中石墨烯版本閃存器件在通道長(zhǎng)度為0.2μm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)400皮秒的編程速度，這打破了閃存1納秒的速度瓶頸。

作者簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目由復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)完成。

周鵬教授現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事集成電路新材料、新器件和新工藝的研究。

周鵬本科和博士均就讀于復(fù)旦，2005年博士畢業(yè)后留校工作，并于2013年成為教授。

博士生導(dǎo)師劉春森，是周鵬教授的博士畢業(yè)生，2019年畢業(yè)后留校從事博士后研究，2021年7月至今擔(dān)任青年研究員。

在此項(xiàng)目中，周鵬和劉春森為共同通訊作者，同時(shí)劉春森還與Yutong Xiang和Chong Wang為共同一作。

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08839-w