基于全二维材料的超快非易失性浮栅存储器研究
作者与发表信息
本研究由Hao Wang、Hui Guo、Roger Guzman等来自中国科学院物理研究所、中国科学院大学物理科学学院、合肥国家实验室以及Vanderbilt University的研究团队合作完成，发表于Advanced Materials期刊（2024年，DOI: 10.1002/adma.202311652）。
学术背景
随着大数据存储和超快数据处理需求的爆炸性增长，传统硅基存储技术面临性能瓶颈，包括操作速度低、数据保留时间短和功耗高等问题。二维材料（2D materials）及其范德瓦尔斯异质结构（van der Waals heterostructures）因其原子级平整界面、无悬挂键（dangling bonds）和优异的静电调控能力，为新型存储器设计提供了新思路。
本研究旨在开发一种全二维材料构成的非易失性浮栅存储器，目标包括：
1. 实现超快编程/擦除速度（20纳秒级）；
2. 高开关比（>10⁸）和多比特存储能力；
3. 数据保留时间超过10年；
4. 通过电-光协同操作实现逻辑门功能。
研究流程与方法
1. 器件设计与制备
研究采用MoS₂/hBN/多层石墨烯(MLG)/hBN/MLG的范德瓦尔斯异质结构：
- 功能层：从上至下依次为MoS₂沟道层、hBN隧穿层、MLG浮栅、hBN阻挡层和MLG控制栅。
- 制备工艺：通过机械剥离和干法转移（dry transfer）逐层堆叠，并在50°C下加热以减少界面气泡。电极采用Cr/Au（6/60 nm）并通过电子束光刻定义。
创新点：
- 使用扫描透射电子显微镜（STEM）验证了原子级尖锐的界面（图1c-e），电子能量损失谱（EELS）显示元素分布均匀。
- 隧穿层hBN厚度优化为10 nm（过薄导致反向隧穿，过厚降低编程速度），阻挡层hBN厚度为18 nm以上以确保高栅耦合比（GCR≈0.6）。
2. 电学性能表征
- 超快操作：通过自制纳秒脉冲电路实现20 ns编程/擦除速度，支持±26.7 V脉冲电压（图2g-i）。
- 非易失性：在8000秒测试中保持开关比>10⁸，线性外推法预测10年数据保留率（图2d）。
- 多级存储：通过调节脉冲电压幅度（+20.9 V至+23.6 V），实现4个可区分的电流状态（图3a-b）。
3. 光电协同操作
- 光擦除机制：450 nm激光照射时，MoS₂中光生空穴隧穿至浮栅（势垒≈1.2 eV），与存储电子复合（图4a）。
- 逻辑门实现：通过电脉冲（输入A）和光脉冲（输入B）组合，在单一器件上实现了“或”（OR）逻辑门功能（图4f）。
主要结果与逻辑链条
- 界面质量与性能关联：STEM证实原子级平整界面使电荷陷阱密度（≈6.5×10¹¹ cm⁻² eV⁻¹）低于传统SiO₂界面（10¹² cm⁻²），从而提升保留时间。
- 超快机制：计算模拟显示，hBN隧穿层在+26 V脉冲下电场达1.5 V/nm，超过Fowler-Nordheim隧穿阈值（0.794 V/nm），电子密度达5×10¹² cm⁻²（图S12）。
- 光电协同优势：光擦除可在50.43 nW低功率下完成，且支持16种多级状态（图4e），为存算一体化提供可能。
结论与价值
科学价值
- 首次实现全二维材料浮栅存储器，突破了传统硅基器件在速度、尺寸和柔性上的限制；
- 揭示了二维异质界面在电荷存储中的关键作用，为界面工程提供新范式。
应用价值
- 适用于下一代超高速、低功耗存储芯片；
- 光电协同操作拓展了存储器在可穿戴电子和光计算中的应用潜力。
研究亮点
- 全二维架构：无需金属电极连接浮栅，器件尺寸仅为硅基方案的1/15；
- 性能突破：20 ns操作速度比传统浮栅存储器快1000倍，开关比达10⁸；
- 多功能集成：首次在单器件上实现“或”逻辑门，支持电-光双模输入。
其他发现
- 采用InSe替代MoS₂作为沟道材料时，开关比进一步提升至10¹⁰（图S11）；
- 通过Arrhenius模型验证了高温下（160.8°C）仍可保持10年数据保留（图S16）。
本研究为二维材料在存储-计算一体化芯片中的应用奠定了实验与理论基础。