【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】發(fā)展高性能存儲(chǔ)器件在現(xiàn)代電子學(xué)的革新中扮演關(guān)鍵角色。在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和超快數(shù)據(jù)處理的需求驅(qū)動(dòng)下，發(fā)展超快非易失性存儲(chǔ)器件勢(shì)在必行。當(dāng)前，存儲(chǔ)領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題：操作速度慢、數(shù)據(jù)保持時(shí)間短、數(shù)據(jù)維持性差、擦除/寫(xiě)入比低等。隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮微化，為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)容量的需求，硅基技術(shù)很快便會(huì)達(dá)到極限。其中，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于超薄硅體材表面不可避免地存在大量的界面懸掛鍵，從而造成器件性能的嚴(yán)重退化。因此，亟須尋找原子級(jí)銳利的界面，并能將其無(wú)縫地集成到器件層級(jí)結(jié)構(gòu)中。
 

　　在所有的候選研究體系中，二維原子晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)這一近年來(lái)涌現(xiàn)出的新型材料體系具有理想的原子級(jí)平坦的表面，沒(méi)有表面懸掛鍵。它們對(duì)短溝道效應(yīng)免疫，從而使得高效的靜電調(diào)控和力學(xué)柔性成為可能。以往研究曾經(jīng)利用二維原子晶體來(lái)構(gòu)筑閃存器件，而器件性能并不理想。這些閃存器件的編程時(shí)間非常長(zhǎng)，在數(shù)百微秒到數(shù)秒量級(jí)；擦除/寫(xiě)入比也很低，在10到106的范圍。雖然利用半浮柵的器件結(jié)構(gòu)將編程時(shí)間縮短至數(shù)十納秒，但是數(shù)據(jù)保持時(shí)間非常短，只有數(shù)秒，使得其并不適用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)。理論模擬表明，基于層狀材料的平面結(jié)構(gòu)制作的理想浮柵存儲(chǔ)器件，其操作時(shí)間可以快至納秒量級(jí)。然而，超快浮柵存儲(chǔ)器件至今尚未研制成功。
 

　　中國(guó)科學(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究員高鴻鈞研究團(tuán)隊(duì)博士研究生吳良妹和副研究員鮑麗宏等，利用二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的原子級(jí)銳利界面及增強(qiáng)的界面耦合特性，無(wú)須修改商用的器件結(jié)構(gòu)，首次構(gòu)筑了超快、非易失浮柵存儲(chǔ)器件，實(shí)現(xiàn)了其納秒級(jí)(~20 ns)的讀寫(xiě)時(shí)間(商用閃存器件為百微秒)、極高的擦除/寫(xiě)入比(~1010)和極長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間(10年以上)。
 

　　圖1a和1b是器件的結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)顯微照片，InSe是溝道、hBN是隧穿勢(shì)壘層、MLG是浮柵、SiO2是控制柵介電層、重?fù)焦枋强刂茤拧８叻直鎾呙柰干?a href="http://www.guboo.com.cn/chanpin-7895/list.html" target="_blank">電子顯微鏡表征顯示，InSe/hBN/MLG異質(zhì)結(jié)具有原子級(jí)銳利的界面特性(圖1c-e)。基本的存儲(chǔ)特性表征顯示浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有大的存儲(chǔ)窗口(圖2)。通過(guò)在控制柵上施加一個(gè)幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈沖電壓對(duì)浮柵存儲(chǔ)器進(jìn)行編程/擦除操作，浮柵存儲(chǔ)器表現(xiàn)出極高的擦除/寫(xiě)入比(擦除態(tài)/編程態(tài)電流比為~1010)、極長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間(大于10年)和優(yōu)異的耐久性(可重讀擦寫(xiě)次數(shù)大于2000)(圖3)。進(jìn)一步利用自主搭建的超短脈沖電源(半峰寬為21 ns，幅值為+20.2/-20.8 V)來(lái)對(duì)器件進(jìn)行寫(xiě)入/擦除操作，仍能實(shí)現(xiàn)高的擦除/寫(xiě)入比(1010)及超快讀取(圖4a-d)；此外，將InSe溝道替換成MoS2，同樣可實(shí)現(xiàn)超快的編程/擦除操作，表明了具有原子級(jí)銳利界面的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超快浮柵存儲(chǔ)器的普適性。更進(jìn)一步受益于極高的擦除/寫(xiě)入比，研究通過(guò)優(yōu)化hBN的厚度，實(shí)現(xiàn)了浮柵存儲(chǔ)器的多值存儲(chǔ)(圖4e)。
 

　　基于原子級(jí)銳利界面的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)超快浮柵存儲(chǔ)器具有和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(10 ns)相當(dāng)?shù)木幊趟俣龋瑫r(shí)具備非易失、大容量的存儲(chǔ)特性。對(duì)于發(fā)展未來(lái)高性能非易失存儲(chǔ)器具有重要意義，也為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能電子器件提供了一種創(chuàng)新思路。未來(lái)在應(yīng)用上的挑戰(zhàn)主要是高質(zhì)量、大面積hBN和二維原子晶體溝道材料的外延生長(zhǎng)及其集成器件的構(gòu)筑。
 

　　5月3日，相關(guān)研究成果以Atomically sharp interface enabled ultrahigh-speed, nonvolatile memory device為題，在線(xiàn)發(fā)表在Nature Nanotechnology上。吳良妹(已畢業(yè))、王愛(ài)偉(已畢業(yè))、時(shí)金安(中國(guó)科學(xué)院大學(xué))和嚴(yán)佳浩(已畢業(yè))為論文的共同第一作者，鮑麗宏、歐陽(yáng)敏(美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授)和高鴻鈞為論文的共同聯(lián)系作者。國(guó)科大教授周武等參與該項(xiàng)研究。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部以及中科院的資助。
 

　　圖1.基于InSe/hBN/MLG范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)及原子級(jí)銳利的界面特性

 

　　圖2.基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本存儲(chǔ)特性表征顯示其具有大存儲(chǔ)窗口

 

　　圖3.基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵存儲(chǔ)器的擦除/寫(xiě)入操作，超高擦除/寫(xiě)入比，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的非易失性及耐久性。a.基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵存儲(chǔ)器的編程、擦除及相應(yīng)的讀取操作原理。b.在控制柵上施加幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈沖電壓成功實(shí)現(xiàn)浮柵存儲(chǔ)器的編程/擦除操作，擦除/寫(xiě)入比高達(dá)~1010。c.對(duì)浮柵存儲(chǔ)器進(jìn)行編程/擦除操作后，編程態(tài)和擦除態(tài)的閾值電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系表明浮柵存儲(chǔ)器具有非易失的數(shù)據(jù)保持能力(十年以上)。d.對(duì)浮柵存儲(chǔ)器反復(fù)進(jìn)行2000次以上的擦除/寫(xiě)入操作，其擦除態(tài)和編程態(tài)電流幾乎沒(méi)有任何變化，表明浮柵存儲(chǔ)器的優(yōu)異耐久性能。