中科院成功構建20納秒寫入/擦除時間超快非易失存儲器件
發展高性能存儲器件在現代電子學的革新中扮演著關鍵角色。在海量數據存儲和超快數據處理的需求驅動下，發展超快非易失性存儲器件勢在必行。當前在存儲領域裡面臨的主要瓶頸問題有：操作速度慢、數據保持時間短、數據維持性差、擦除/寫入比低等。
特別是，隨著器件尺寸的進一步縮微化，為了滿足日益增長的存儲容量的需求，矽基技術很快就會達到極限。其中的一個關鍵挑戰在於超薄矽體材表面不可避免的存在大量的界面懸掛鍵，從而造成器件性能的嚴重退化。因此亟需尋找原子級銳利的界面,並且能將其無縫地集成到器件層級結構中。
在所有的候選研究體系中，二維原子晶體及其異質結構這個近年來湧現出來的新型材料體系具有理想的原子級平坦的表面，沒有表面懸掛鍵。而且它們對短溝道效應免疫，從而使得高效的靜電調控和力學柔性成為了可能。之前，研究者曾經利用二維原子晶體來構築閃存器件，然而器件性能並不理想。這些閃存器件的編程時間非常長，在數百微秒到數秒量級；擦除/寫入比也很低，在10到106的範圍。雖然，利用半浮柵的器件結構成功將編程時間縮短至數十納秒，但是數據保持時間非常短，只有數秒，使得其並不適用於長期存儲。理論模擬也表明，基於層狀材料的平面結構製作的理想浮柵存儲器件，其操作時間可以快至納秒量級。然而，超快浮柵存儲器件至今沒有被研製成功。
針對這一重大挑戰，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士研究團隊的博士生吳良妹和鮑麗宏副研究員等利用二維范德瓦爾斯異質結的原子級銳利界面及增強的界面耦合特性，無需修改商用的器件結構，首次成功構築了超快、非易失浮柵存儲器件，成功實現了其納秒級（~20 ns）的讀寫時間（商用閃存器件為百微秒），極高的擦除/寫入比（~10 10）和極長的存儲時間（10年以上）。
圖1a和1b是器件的結構示意圖及光學顯微照片，其中InSe是溝道、hBN是隧穿勢壘層、MLG是浮柵、SiO2是控制柵介電層、重摻矽是控制柵。高分辨掃描透射電子顯微鏡表徵顯示InSe/hBN/MLG異質結具有原子級銳利的界面特性（圖1 ce）。基本的存儲特性表徵顯示浮柵場效應晶體管具有大的存儲窗口（圖2）。通過在控制柵上施加一個幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈衝電壓對浮柵存儲器進行編程/擦除操作，浮柵存儲器表現出極高的擦除/寫入比（擦除態/編程態電流比為~10 10）、極長的存儲時間（大於10年）和優異的耐久性（可重讀擦寫次數大於2000）（圖3）。進一步利用自主搭建的超短脈衝電源（半峰寬為21 ns，幅值為+20.2/-20.8 V）來對器件進行寫入/擦除操作，仍然能成功實現高的擦除/寫入比（10 10），及超快讀取（圖4 ad）；此外，將InSe溝道替換成MoS2，同樣能實現超快的編程/擦除操作，表明了具有原子級銳利界面的范德瓦爾斯異質結構實現超快浮柵存儲器的普適性。更進一步受益於極高的擦除/寫入比，他們通過優化hBN的厚度，實現了浮柵存儲器的多值存儲（圖4 e）。
基於原子級銳利界面的范德瓦爾斯異質結超快浮柵存儲器具有和動態隨機存取存儲器（10 ns）相當的編程速度，同時具備非易失、大容量的存儲特性。對於發展未來高性能非易失存儲器具有重要意義，也為進一步開發基於范德瓦爾斯異質結構的高性能電子器件提供了一種創新思路。未來在應用上的挑戰主要是高質量、大面積hBN和二維原子晶體溝道材料的外延生長及其集成器件的構築。
相關結果以“Atomically sharp interface enabled ultrahigh-speed, nonvolatile memory device”為題在5月3日的Nature Nanotechnology (2021)在線發表。吳良妹（已畢業）、王愛偉（已畢業）、時金安（中國科學院大學）和嚴佳浩（已畢業）為共同第一作者，鮑麗宏副研究員、歐陽敏教授和高鴻鈞院士為共同聯繫作者。中國科學院大學周武教授等參與了該項研究。該工作得到了基金委（61888102）、科技部（2016YFA0202300、2018YFA0305800）以及中國科學院（XDB30000000、XDB28000000、Y201902）的資助。
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圖1. 基於InSe/hBN/MLG范德瓦爾斯異質結的浮柵場效應晶體管的器件結構及原子級銳利的界面特性。
圖2. 基於范德瓦爾斯異質結的浮柵場效應晶體管的基本存儲特性表徵顯示其具有大存儲窗口。
圖3.基於范德瓦爾斯異質結的浮柵存儲器的擦除/寫入操作，超高擦除/寫入比，數據存儲的非易失性及耐久性。a.基於范德瓦爾斯異質結的浮柵存儲器的編程、擦除及相應的讀取操作原理。b.在控制柵上施加幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈衝電壓成功實現浮柵存儲器的編程/擦除操作，擦除/寫入比高達~10 10。c.對浮柵存儲器進行編程/擦除操作後，編程態和擦除態的閾值電壓隨時間的變化關係表明浮柵存儲器具有非易失的數據保持能力（十年以上）。d.對浮柵存儲器反復進行2000次以上的擦除/寫入操作，其擦除態和編程態電流幾乎沒有任何變化，表明浮柵存儲器的優異耐久性能。
圖4.基於范德瓦爾斯異質結的浮柵存儲器的超快寫入/擦除操作及其多值存儲特性。a.在控制柵上施加幅值為+20.2/-20.8 V、半峰寬為21 ns的脈衝電壓成功實現浮柵存儲器的編程/擦除操作，擦除/寫入比高達~10 10。bc.浮柵存儲器在經過編程（b）和擦除（c）脈衝後的超快響應。d.對浮柵存儲器進行間隔為~100 ns的連續擦除、編程操作後的電流特性。e.浮柵存儲器的多值（2-bit）存儲特性。