「史上最快閃存技術」登Nature 復旦新成果突破快閃記憶體速度理論極限
史上最快的閃存器件，復旦團隊造！其研發的皮秒閃存裝置「破曉（PoX）」登上了Nature，擦寫速度達到了亞納秒級，比現有速度快1萬倍。且數據不易遺失，依照實驗外推結果，保存年限可達十年以上。
具體來看，基於一些新的發現，作者把傳統快閃記憶體中的矽替換成了石墨烯等二維材料，製作了這種亞納（10^-9）秒級閃存裝置。
在低至5V的編程電壓下，這種裝置可以實現400皮（10^-12）秒的超快編程速度，相當於每秒操作25億次。
在此速度之下，裝置的程式設計/擦除循環壽命超過550萬次。
用二維材料實現熱載子注入
這項工作的核心，就是作者發現的二維材料增強的熱載子注入機制。
在傳統矽基元件中，當閘極施加一個較高的正電壓時，源端的電子在橫向電場的作用下被加速，形成「熱」電子。
這些高能量電子不斷向漏端運動，當其能量達到一定閾值後，有一定機率越過柵極介質勢壘，最終被注入到閘極一側。
這個過程通常被稱為電子的熱載子注入，是實現快閃記憶體編程的重要手段之一。
然而，受限於體矽材料的性質——電子的有效質量較大且容易受到聲子散射等因素影響——經典熱載子注入機制的效率較低。
研究人員提出，二維材料獨特的能帶結構和電特性，可望徹底改變這個局面。
以石墨烯為例，其獨特的線性色散關係意味著載子的有效質量接近零，因此在相同電場下更容易被加速。同時，石墨烯中電子和電洞的遷移率極高，散射機率大大降低。
更關鍵的是，當材料的厚度減小到奈米尺度時，元件通道內部電場分佈會發生顯著變化。
具體而言，元件通道從源端到漏端可分為高、低電阻兩個區域。
當通道厚度減小時，整體電阻率急遽上升，但低電阻區（源端）電阻率的上升幅度要小於高電阻區（漏端）。當溝道厚度降至2奈米左右時，漏端附近的峰值電場強度將是體矽元件的數倍。
在如此高的水平電場作用下，載子能夠在奈米尺度的距離內被加速至極高的能量，散射被大大抑制。同時，垂直方向上超薄的通道厚度也大大降低了載子越過柵極介質勢壘所需的能量。
在橫向加速和縱向注入的雙重增強作用下，載子注入效率將較傳統矽基元件提高數個數量級。
並且，這種「二維材料增強效應」在不同類型的二維材料中具有普適性。
結構與製備過程
基於這樣的原理，作者使用石墨烯和二硒化鎢（WSe₂）兩種二維材料分別製備了不同的快閃記憶體。
結構上看，兩種快閃記憶體都採用了“三明治結構”，從上到下依次包括源漏電極、溝道層、儲存堆疊結構、金屬閘極和矽基板，石墨烯版的儲存堆疊結構中還有一個電荷儲存層。
石墨烯和二硒化鎢兩種方案在各層中使用的材料，可見以下的表格：
在這種結構中，當在源極和汲極之間施加電壓時，載子會在最佳化的水平電場中被快速加速。
由於二維材料的特性，這些載子可以在很短的距離內獲得足夠高的能量，然後在垂直電場的作用下注入到陷阱層（註：在快閃記憶體中，訊息的儲存和擦除是透過向浮柵或陷阱層注入或抽出電子來實現的）中。
為了製備出基於二維材料的新型閃存裝置，作者首先透過機械剝離的方法，從高品質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，作者採用乾式轉移技術，將剝離所得的二硒化鎢或石墨烯薄片轉移到預先製備好的矽/二氧化矽基板上。
基板上預先生長了一層高品質的六方氮化硼（hBN）薄膜，作為二維材料與基板之間的絕緣隔離層和保護層。
在轉移完成後，作者採用電子束曝光和金屬蒸鍍的方法，在二維材料一端製備了源極和汲極金屬電極—
- 對於二硒化鎢元件，作者選擇了高功函數的銻/鉑作為接觸金屬，以實現對二硒化鎢的p型摻雜和電洞注入。
- 對於石墨烯裝置，作者則採用了與石墨烯功函數匹配良好的鉻/金電極，以實現對石墨烯的歐姆接觸和雙極性載子注入。
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、真空度和基板溫度等參數——進行了精細的優化。
金屬電極製備完成後，作者採用等離子體增強化學氣相沉積的方法，在裝置表面沉積了一層高品質的氧化鋁薄膜，作為快閃記憶體的柵極介質層和電荷儲存層。
為了進一步提高電荷儲存效率，作者在氧化鋁層上方又沉積了一層二氧化鉿薄膜，形成了「二元介質層」結構。
最後，作者採用電子束蒸鍍的方法，在裝置表面製備了閘極金屬電極。
這種高效的注入機制最終實現了突破性的性能——其中石墨烯版本閃存器件在通道長度為0.2μm時，可以實現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
此計畫由復旦大學整合晶片與系統全國重點實驗室、晶片與系統尖端技術研究院週鵬-劉春森團隊完成。
週鵬教授現任復旦大學微電子學院副院長，長期從事積體電路新材料、新元件和新製程的研究。
週鵬本科及博士均就讀復旦，2005年博士畢業後留校工作，並於2013年成為教授。
博士生導師劉春森，是周鵬教授的博士畢業生，2019年畢業後留校從事博士後研究，2021年7月至今擔任青年研究員。
在本專題中，週鵬和劉春森為共同通訊作者，同時劉春森也與Yutong Xiang和Chong Wang為共同一作。
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