中科院物理所等構築出 20 納秒寫入 / 擦除時間超快非易失儲存器

IT之家 5 月 5 日訊息 據中國科學院網站，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）。

▲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 | 圖自中國科學院網站，下同

▲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

據介紹，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。

IT之家瞭解到，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。

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▲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。