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，比現(xiàn)有速度快1萬倍。
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250億次。
在此速度之下，器件的編程/擦除循環(huán)壽命超過550萬次。
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，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)部電場分布會發(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強(qiáng)度將是體硅器件的數(shù)倍。
在如此高的水平電場作用下，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。
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、存儲堆疊結(jié)構(gòu)、金屬柵極和硅襯底，石墨烯版的存儲堆疊結(jié)構(gòu)中還有一個(gè)電荷存儲層。
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)，載流子會在優(yōu)化的水平電場中被快速加速。
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，然后在垂直電場的作用下注入到陷阱層（注：在閃存中，信息的存儲和擦除是通過向浮柵或陷阱層注入或抽出電子來實(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厚度的單層或少層二硒化鎢和石墨烯薄片。
接下來，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)對二硒化鎢的p型摻雜和空穴注入。
對于石墨烯器件，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和緊密貼合，作者對金屬蒸鍍的條件——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)層和電荷存儲層。
為了進(jìn)一步提高電荷存儲效率，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。
作者簡介
該項(xiàng)目由復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(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，長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
