鎢鉬新材料再發威 新型記憶體比U盤快一萬倍

近日，復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊實現了具有顛覆性的二維半導體准非易失存儲原型器件，開創了第三類存儲技術，寫入速度比目前U盤快一萬倍，資料的存儲時間也可以自行決定，到了有效期後即自動消失。這也解決了國際半導體電荷存儲技術中“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。這種新型的記憶體電晶體採用了二硫化鉬、二硒化鎢，二硫化鉿這三種單層二維納米過渡金屬材料。

目前半導體電荷存儲技術主要有兩類，第一類是易失性存儲，例如電腦中的記憶體，掉電後資料會立即消失；第二類是非易失性存儲，例如人們常用的U盤，在寫入資料後無需額外能量可保存10年。前者可在幾納秒左右寫入資料，第二類電荷存儲技術需要幾微秒到幾十微秒才能把資料保存下來。

此次研發的新型電荷存儲技術，既滿足了10納秒寫入資料速度，又實現了按需定制（10秒-10年）的可調控資料准非易失特性。這種全新特性不僅在高速記憶體中可以極大降低存儲功耗，還可以實現資料有效期截止後自然消失，在特殊應用場景解決了保密性和傳輸的矛盾。

“這項研究創新性地選擇了多重二維材料堆疊構成了半浮柵結構電晶體：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用於開關電荷輸運和儲存，氮化硼作為隧穿層，製成階梯能谷結構的範德瓦爾斯異質結。”據研究人員周鵬介紹，選擇這幾種二維材料，將充分發揮二維材料的豐富能帶特性。“一部分如同一道可隨手開關的門，電子易進難出；另一部分則像以面密不透風的牆，電子難以進出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調控，就在於這兩部分的比例。”

寫入速度比目前U盤快10000倍，資料刷新時間是記憶體技術的156倍，並且擁有卓越的調控性，可以實現按照資料有效時間需求設計記憶體結構……經過測試，研究人員發現這種基於全二維材料的新型異質結能夠實現全新的第三類存儲特性。

未來，由於量子現象，基於場效應電晶體的傳統電路正在接近其物理極限，因此半浮柵電晶體已成為替代超快和矽相容技術。研究團隊所展示的准非易失性記憶體，該存儲器具有半帶浮動柵極結構以及帶工程範德瓦爾斯異質結構。這種二維半浮柵記憶體的動態隨機存取記憶體刷新時間比納秒時間標度高出156倍。半浮柵結構大大提高了寫操作性能，約為10 6比基於二維材料的其他記憶更快。所展示的特性表明，准非易失性記憶體有可能彌合易失性和非易失性記憶體技術之間的差距，並降低頻繁刷新操作所需的功耗，從而實現高速和低功耗隨機存取記憶體。

基於二維半導體的准非易失性記憶體可在大尺度合成技術基礎上實現高密度集成，將在極低功耗高速存儲、資料有效期自由度利用等多領域發揮重要作用。2017年，團隊在Small上報導了利用二維半導體的豐富能帶結構特性解決電荷存儲技術中的“過擦除”現象。後續在記憶體研究中，團隊發現，當利用二維半導體實現新型結構存儲後，會有更多“奇異新特性”。

從技術定義、結構模型到性能分析的全過程，這項科學突破均由復旦大學科研團隊獨立完成。團隊立足本土，紮根中國大地，取得了國際上未來存儲技術領域的一項重要科學突破，並在《自然納米技術》以長文形式發表。（文章來源：自然納米技術、文匯報）

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