復(fù)旦團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)新存儲技術(shù)：10納秒寫入速度，按需定制有效期
復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)研發(fā)了第三類存儲技術(shù)。
近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授張衛(wèi)、周鵬團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了具有顛覆性的二維半導(dǎo)體準(zhǔn)非易失存儲原型器件，開創(chuàng)了第三類存儲技術(shù)，解決了國際半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)中“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。
北京時(shí)間4月10日，相關(guān)工作以《用于準(zhǔn)非易失應(yīng)用的范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)半浮柵存儲》(“A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-nonvolatile applications”)為題在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。
目前半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)主要有兩類，第一類是易失性存儲，例如計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存，掉電后數(shù)據(jù)會立即消失;第二類是非易失性存儲，例如人們常用的U盤，在寫入數(shù)據(jù)后無需額外能量可保存10年。前者可在幾納秒左右寫入數(shù)據(jù)，第二類電荷存儲技術(shù)需要幾微秒到幾十微秒才能把數(shù)據(jù)保存下來。
此次研發(fā)的新型電荷存儲技術(shù)，既滿足了10納秒寫入數(shù)據(jù)速度，又實(shí)現(xiàn)了按需定制(10秒-10年)的可調(diào)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)非易失特性。這種全新特性不僅在高速內(nèi)存中可以極大降低存儲功耗，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效期截止后自然消失，在特殊應(yīng)用場景解決了保密性和傳輸?shù)拿堋?/p>
用于準(zhǔn)非易失應(yīng)用的范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)半浮柵存儲。
二維材料的新組合在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
“這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地選擇了多重二維材料堆疊構(gòu)成了半浮柵結(jié)構(gòu)晶體管：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用于開關(guān)電荷輸運(yùn)和儲存，氮化硼作為隧穿層，制成階梯能谷結(jié)構(gòu)的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)。”周鵬介紹，選擇這幾種二維材料，將充分發(fā)揮二維材料的豐富能帶特性，“一部分如同一道可隨手開關(guān)的門，電子易進(jìn)難出;另一部分則像以面密不透風(fēng)的墻，電子難以進(jìn)出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調(diào)控，就在于這兩部分的比例。”
寫入速度比目前U盤快10000倍，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間是內(nèi)存技術(shù)的156倍，并且擁有卓越的調(diào)控性，可以實(shí)現(xiàn)按照數(shù)據(jù)有效時(shí)間需求設(shè)計(jì)存儲器結(jié)構(gòu)……經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)這種基于全二維材料的新型異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)全新的第三類存儲特性。
2017年，團(tuán)隊(duì)在Small上報(bào)道了利用二維半導(dǎo)體的豐富能帶結(jié)構(gòu)特性解決電荷存儲技術(shù)中的“過擦除”現(xiàn)象。后續(xù)在存儲器研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)存儲后，會有更多“奇異新特性”。
二維材料發(fā)軔于石墨烯的發(fā)現(xiàn)，在平面內(nèi)存在強(qiáng)有力的化學(xué)鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。因此，二維材料可以獲得單層的具有完美界面特性的原子級別晶體。同時(shí)它是一個(gè)兼有導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的完整體系。
這對集成電路器件進(jìn)一步微縮并提高集成度、穩(wěn)定性以及開發(fā)新型存儲器都有著巨大潛力，是降低存儲器功耗和提高集成度的嶄新途徑?；诙S半導(dǎo)體的準(zhǔn)非易失性存儲器可在大尺度合成技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高密度集成，將在極低功耗高速存儲、數(shù)據(jù)有效期自由度利用等多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
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