【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】發(fā)展高性能存儲器件在現(xiàn)代電子學(xué)的革新中扮演關(guān)鍵角色。在海量數(shù)據(jù)存儲和超快數(shù)據(jù)處理的需求驅(qū)動下，發(fā)展超快非易失性存儲器件勢在必行。當前，存儲領(lǐng)域面臨的主要問題：操作速度慢、數(shù)據(jù)保持時間短、數(shù)據(jù)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(shù)很快便會達到極限。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(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)這一近年來涌現(xiàn)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(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間非常長，在數(shù)百微秒到數(shù)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(jié)構(gòu)將編程時間縮短至數(shù)十納秒，但是數(shù)據(jù)保持時間非常短，只有數(shù)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(jié)構(gòu)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(xué)院院士、中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)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(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)，首次構(gòu)筑了超快、非易失浮柵存儲器件，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)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(zhì)結(jié)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(yīng)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(xiàn)出極高的擦除/寫入比(擦除態(tài)/編程態(tài)電流比為~1010)、極長的存儲時間(大于10年)和優(yōu)異的耐久性(可重讀擦寫次數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(yōu)化hBN的厚度，實現(xiàn)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(zhì)結(jié)超快浮柵存儲器具有和動態(tài)隨機存取存儲器(10 ns)相當?shù)木幊趟俣龋瑫r具備非易失、大容量的存儲特性。對于發(fā)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(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，在線發(fā)表在Nature Nanotechnology上。吳良妹(已畢業(yè))、王愛偉(已畢業(yè))、時金安(中國科學(xué)院大學(xué))和嚴佳浩(已畢業(yè))為論文的共同第一作者，鮑麗宏、歐陽敏(美國馬里蘭大學(xué)教授)和高鴻鈞為論文的共同聯(lián)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(xué)基金委員會、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)的浮柵場效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)及原子級銳利的界面特性
圖2.基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵場效應(yīng)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(zhì)結(jié)的浮柵存儲器的擦除/寫入操作，超高擦除/寫入比，數(shù)據(jù)存儲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的脈沖電壓成功實現(xiàn)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(tài)和擦除態(tài)的閾值電壓隨時間的變化關(guān)系表明浮柵存儲器具有非易失的數(shù)據(jù)保持能力(十年以上)。d.對浮柵存儲器反復(fù)進行2000次以上的擦除/寫入操作，其擦除態(tài)和編程態(tài)電流幾乎沒有任何變化，表明浮柵存儲器的優(yōu)異耐久性能。
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