钨钼新材料再发威 新型内存比U盘快一万倍

近日，复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队实现了具有颠覆性的二维半导体准非易失存储原型器件，开创了第三类存储技术，写入速度比目前U盘快一万倍，资料的存储时间也可以自行决定，到了有效期后即自动消失。这也解决了国际半导体电荷存储技术中“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题。这种新型的内存晶体管采用了二硫化钼、二硒化钨，二硫化铪这三种单层二维纳米过渡金属材料。

目前半导体电荷存储技术主要有两类，第一类是易失性存储，例如计算机中的内存，掉电后数据会立即消失；第二类是非易失性存储，例如人们常用的U盘，在写入数据后无需额外能量可保存10年。前者可在几纳秒左右写入数据，第二类电荷存储技术需要几微秒到几十微秒才能把数据保存下来。

此次研发的新型电荷存储技术，既满足了10纳秒写入数据速度，又实现了按需定制（10秒-10年）的可调控数据准非易失特性。这种全新特性不仅在高速内存中可以极大降低存储功耗，还可以实现数据有效期截止后自然消失，在特殊应用场景解决了保密性和传输的矛盾。

“这项研究创新性地选择了多重二维材料堆栈构成了半浮栅结构晶体管：二硫化钼、二硒化钨、二硫化铪分别用于开关电荷输运和储存，氮化硼作为隧穿层，制成阶梯能谷结构的范德瓦尔斯异质结。”据研究人员周鹏介绍，选择这几种二维材料，将充分发挥二维材料的丰富能带特性。“一部分如同一道可随手开关的门，电子易进难出；另一部分则像以面密不透风的墙，电子难以进出。对‘写入速度’与‘非易失性’的调控，就在于这两部分的比例。”

写入速度比目前U盘快10000倍，数据刷新时间是内存技术的156倍，并且拥有卓越的调控性，可以实现按照数据有效时间需求设计内存结构……经过测试，研究人员发现这种基于全二维材料的新型异质结能够实现全新的第三类存储特性。

未来，由于量子现象，基于场效应晶体管的传统电路正在接近其物理极限，因此半浮栅晶体管已成为替代超快和硅兼容技术。研究团队所展示的准非易失性内存，该存储器具有半带浮动栅极结构以及带工程范德瓦尔斯异质结构。这种二维半浮栅内存的动态随机存取内存刷新时间比纳秒时间标度高出156倍。半浮栅结构大大提高了写操作性能，约为10 6比基于二维材料的其他记忆更快。所展示的特性表明，准非易失性内存有可能弥合易失性和非易失性内存技术之间的差距，并降低频繁刷新操作所需的功耗，从而实现高速和低功耗随机存取内存。

基于二维半导体的准非易失性内存可在大尺度合成技术基础上实现高密度集成，将在极低功耗高速存储、数据有效期自由度利用等多领域发挥重要作用。2017年，团队在Small上报导了利用二维半导体的丰富能带结构特性解决电荷存储技术中的“过擦除”现象。后续在内存研究中，团队发现，当利用二维半导体实现新型结构存储后，会有更多“奇异新特性”。

从技术定义、结构模型到性能分析的全过程，这项科学突破均由复旦大学科研团队独立完成。团队立足本土，扎根中国大地，取得了国际上未来存储技术领域的一项重要科学突破，并在《自然纳米技术》以长文形式发表。（文章来源：自然纳米技术、文汇报，伟平综合整理）

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