復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授張衛(wèi)、周鵬團隊近日實現(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。北京時間今天凌晨，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》為題在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。

數(shù)據(jù)存儲新掌控：10納秒寫入 按需定制有效期

據(jù)了解，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，例如計算機中的內(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，又實現(xiàn)了按需定制(10秒-10年)的可調(diào)控數(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，同時還可以實現(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>

二維材料新組合：“開門”與“撞墻”間發(fā)揮能帶特性

“這項研究創(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，電子易進難出;另一部分則像以面密不透風(fēng)的墻，電子難以進出。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，可以實現(xiàn)按照數(shù)據(jù)有效時間需求設(shè)計存儲器結(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，團隊在Small上報道了利用二維半導(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，團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用二維半導(dǎo)體實現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)存儲后，會有更多“奇異新特性”。

據(jù)了解，從技術(shù)定義、結(jié)構(gòu)模型到性能分析的全過程，這項科學(xué)突破均由復(fù)旦大學(xué)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(shù)領(lǐng)域的一項重要科學(xué)突破，并在《自然·納米技術(shù)》以長文形式發(fā)表。

復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院博士研究生劉春森和指導(dǎo)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(fù)旦大學(xué)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(xué)基金優(yōu)秀青年項目和重點研究項目的支持。