復旦團隊開創新存儲技術：10納秒寫入速度，按需定制有效期

近日，復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊實現了具有顛覆性的二維半導體準非易失存儲原型器件，開創了第三類存儲技術，解決了國際半導體電荷存儲技術中“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。

北京時間4月10日，相關工作以《用於準非易失應用的范德瓦爾斯結構半浮柵存儲》（“A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-nonvolatile applications”）為題線上發表于《自然·奈米技術》。

目前半導體電荷存儲技術主要有兩類，第一類是易失性存儲，例如電腦中的記憶體，掉電後數據會立即消失；第二類是非易失性存儲，例如人們常用的隨身碟，在寫入數據後無需額外能量可保存10年。前者可在幾納秒左右寫入數據，第二類電荷存儲技術需要幾微秒到幾十微秒才能把數據保存下來。

此次研發的新型電荷存儲技術，既滿足了10納秒寫入數據速度，又實現了按需定制（10秒-10年）的可調控數據準非易失特性。這種全新特性不僅在高速記憶體中可以極大降低存儲功耗，同時還可以實現數據有效期截止後自然消失，在特殊應用場景解決了保密性和傳輸的矛盾。

用於準非易失應用的范德瓦爾斯結構半浮柵存儲。

二維材料的新組合在其中發揮了關鍵作用。

“這項研究創新性地選擇了多重二維材料堆疊構成了半浮柵結構電晶體：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用於開關電荷輸運和儲存，氮化硼作為隧穿層，製成階梯能谷結構的范德瓦爾斯異質結。”周鵬介紹，選擇這幾種二維材料，將充分發揮二維材料的豐富能帶特性，“一部分如同一道可隨手開關的門，電子易進難出；另一部分則像以面密不透風的墻，電子難以進出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調控，就在於這兩部分的比例。”

寫入速度比目前隨身碟快10000倍，數據刷新時間是記憶體技術的156倍，並且擁有卓越的調控性，可以實現按照數據有效時間需求設計記憶體結構……經過測試，研究人員發現這種基於全二維材料的新型異質結能夠實現全新的第三類存儲特性。

2017年，團隊在Small上報道了利用二維半導體的豐富能帶結構特性解決電荷存儲技術中的“過擦除”現象。後續在記憶體研究中，團隊發現，當利用二維半導體實現新型結構存儲後，會有更多“奇異新特性”。

二維材料發軔于石墨烯的發現，在平面記憶體在強有力的化學鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。因此，二維材料可以獲得單層的具有完美界面特性的原子級別晶體。同時它是一個兼有導體、半導體和絕緣體的完整體系。

這對積體電路器件進一步微縮並提高整合度、穩定性以及開發新型記憶體都有著巨大潛力，是降低記憶體功耗和提高整合度的嶄新途徑。基於二維半導體的準非易失性記憶體可在大尺度合成技術基礎上實現高密度整合，將在極低功耗高速存儲、數據有效期自由度利用等多領域發揮重要作用