【儀表網 儀表研發】發展高性能存儲器件在現代電子學的革新中扮演關鍵角色。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，存儲領域面臨的主要問題：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。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，硅基技術很快便會達到極限。其中，關鍵挑戰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重退化。因此，亟須尋找原子級銳利的界面，并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一近年來涌現出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。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可能。以往研究曾經利用二維原子晶體來構筑閃存器件，而器件性能并不理想。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的范圍。雖然利用半浮柵的器件結構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，使得其并不適用于長期存儲。理論模擬表明，基于層狀材料的平面結構制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尚未研制成功。
中國科學院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞研究團隊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結的原子級銳利界面及增強的界面耦合特性，無須修改商用的器件結構，首次構筑了超快、非易失浮柵存儲器件，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(~1010)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，InSe是溝道、hBN是隧穿勢壘層、MLG是浮柵、SiO2是控制柵介電層、重摻硅是控制柵。高分辨掃描透射電子顯微鏡表征顯示，InSe/hBN/MLG異質結具有原子級銳利的界面特性(圖1c-e)。基本的存儲特性表征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的脈沖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~1010)、極長的存儲時間(大于10年)和優異的耐久性(可重讀擦寫次數大于2000)(圖3)。進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)來對器件進行寫入/擦除操作，仍能實現高的擦除/寫入比(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。更進一步受益于極高的擦除/寫入比，研究通過優化hBN的厚度，實現了浮柵存儲器的多值存儲(圖4e)。
基于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。對于發展未來高性能非易失存儲器具有重要意義，也為進一步開發基于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筑。
5月3日，相關研究成果以Atomically sharp interface enabled ultrahigh-speed, nonvolatile memory device為題，在線發表在Nature Nanotechnology上。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)為論文的共同第一作者，鮑麗宏、歐陽敏(美國馬里蘭大學教授)和高鴻鈞為論文的共同聯系作者。國科大教授周武等參與該項研究。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部以及中科院的資助。
圖1.基于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.基于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征顯示其具有大存儲窗口
圖3.基于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.基于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的脈沖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~1010。c.對浮柵存儲器進行編程/擦除操作后，編程態和擦除態的閾值電壓隨時間的變化關系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。
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