近日，復旦大學微電子學院教授張衛(wèi)、周鵬團隊實現(xiàn)了具有顛覆性的二維半導體準非易失存儲原型器件，開創(chuàng)了第三類存儲技術，寫入速度比目前U盤快一萬倍，數(shù)據(jù)存儲時間也可自行決定。這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。

速度比U盤快萬倍

數(shù)據(jù)存儲新掌控

據(jù)了解，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，例如計算機中的內存，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，既滿足了10納秒寫入數(shù)據(jù)速度，又實現(xiàn)了按需定制（10秒-10年）的可調控數(shù)據(jù)準非易失特性。這種全新特性不僅在高速內存中可以極大降低存儲功耗，同時還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效期截止后自然消失，在特殊應用場景解決了保密性和傳輸?shù)拿堋?/p>

二維材料新組合

“這項研究創(chuàng)新性地選擇了多重二維材料堆疊構成了半浮柵結構晶體管：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用于開關電荷輸運和儲存，氮化硼作為隧穿層，制成階梯能谷結構的范德瓦爾斯異質結?！敝荠i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?！耙徊糠秩缤坏揽呻S手開關的門，電子易進難出；另一部分則像以面密不透風的墻，電子難以進出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調控，就在于這兩部分的比例?！?/p>

寫入速度比目前U盤快10000倍，數(shù)據(jù)刷新時間是內存技術的156倍，并且擁有卓越的調控性，可以實現(xiàn)按照數(shù)據(jù)有效時間需求設計存儲器結構……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結能夠實現(xiàn)全新的第三類存儲特性。2017年，團隊在Small上報道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(xiàn)象。后續(xù)在存儲器研究中，團隊發(fā)現(xiàn)，當利用二維半導體實現(xiàn)新型結構存儲后，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)，在平面內存在強有力的化學鍵鍵合，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。

同時它是一個兼有導體、半導體和絕緣體的完整體系。這對集成電路器件進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半導體的準非易失性存儲器可在大尺度合成技術基礎上實現(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域發(fā)揮重要作用。

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，扎根中國大地，取得了國際上未來存儲技術領域的一項重要科學突破，并在《自然·納米技術》以長文形式發(fā)表。

復旦大學微電子學院博士研究生劉春森和指導教師周鵬教授為共同第一作者，張衛(wèi)教授和周鵬教授為通訊作者，復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室為唯一單位。該項工作得到了國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目和重點研究項目的支持。

研究團隊圖賞