發展高效能儲存器件在現代電子學的革新中扮演關鍵角色。在海量資料儲存和超快資料處理的需求驅動下，發展超快非易失性儲存器件勢在必行。當前，儲存領域面臨的主要問題：操作速度慢、資料保持時間短、資料維持性差、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儲存容量的需求，矽基技術很快便會達到極限。其中，關鍵挑戰在於超薄矽體材表面不可避免地存在大量的介面懸掛鍵，從而造成器件效能的嚴重退化。因此，亟須尋找原子級銳利的介面，並能將其無縫地整合到器件層級結構中。
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湧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築快閃記憶體器件，而器件效能並不理想。這些快閃記憶體器件的程式設計時間非常長，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將程式設計時間縮短至數十納秒，但是資料保持時間非常短，只有數秒，使得其並不適用於長期儲存。理論模擬表明，基於層狀材料的平面結構製作的理想浮柵儲存器件，其操作時間可以快至納秒量級。然而，超快浮柵儲存器件至今尚未研製成功。
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，利用二維範德瓦爾斯異質結的原子級銳利介面及增強的介面耦合特性，無須修改商用的器件結構，首次構築了超快、非易失浮柵儲存器件，實現了其納秒級（~20 ns）的讀寫時間（商用快閃記憶體器件為百微秒）、極高的擦除/寫入比（~1010）和極長的儲存時間（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介面特性（圖1c-e）。基本的儲存特性表徵顯示浮柵場效應電晶體具有大的儲存視窗（圖2）。透過在控制柵上施加一個幅值為+17。7/-17。7 V、半峰寬為160 ns的脈衝電壓對浮柵儲存器進行程式設計/擦除操作，浮柵儲存器表現出極高的擦除/寫入比（擦除態/程式設計態電流比為~1010）、極長的儲存時間（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，同樣可實現超快的程式設計/擦除操作，表明了具有原子級銳利介面的範德瓦爾斯異質結構實現超快浮柵儲存器的普適性。更進一步受益於極高的擦除/寫入比，研究透過最佳化hBN的厚度，實現了浮柵儲存器的多值儲存（圖4e）。
基於原子級銳利介面的範德瓦爾斯異質結超快浮柵儲存器具有和動態隨機存取儲存器（10 ns）相當的程式設計速度，同時具備非易失、大容量的儲存特性。對於發展未來高效能非易失儲存器具有重要意義，也為進一步開發基於範德瓦爾斯異質結構的高效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整合器件的構築。
5月3日，相關研究成果以
Atomically sharp interface enabled ultrahigh-speed， nonvolatile memory device
為題，線上發表在
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絡作者。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。基於InSe/hBN/MLG範德瓦爾斯異質結的浮柵場效應電晶體的器件結構及原子級銳利的介面特性
圖2。基於範德瓦爾斯異質結的浮柵場效應電晶體的基本儲存特性表徵顯示其具有大儲存視窗
圖3。基於範德瓦爾斯異質結的浮柵儲存器的擦除/寫入操作，超高擦除/寫入比，資料儲存的非易失性及耐久性。a。基於範德瓦爾斯異質結的浮柵儲存器的程式設計、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儲存器的程式設計/擦除操作，擦除/寫入比高達~1010。c。對浮柵儲存器進行程式設計/擦除操作後，程式設計態和擦除態的閾值電壓隨時間的變化關係表明浮柵儲存器具有非易失的資料保持能力（十年以上）。d。對浮柵儲存器反覆進行2000次以上的擦除/寫入操作，其擦除態和程式設計態電流幾乎沒有任何變化，表明浮柵儲存器的優異耐久效能。
【來源：物理研究所】
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