时隔两个星期，复旦这支队伍，再次发布Nature！

04-19 09:23

选题背景

追求亚纳秒（sub-1-ns）在编程速度非易失性存储系统的过程中，传统的非易失性闪存和高速易失性静态随机存储存储器被打破（SRAM）它们之间的性能限制，长期以来一直是存储系统领域面临的重要挑战。

借助先进材料产生的基本物理创新，正在开发一系列新的存储器，以突破非易失性存储的速度瓶颈。闪存编程速率作为应用最广泛的非易失性存储系统，受制于电场协助注入系统的低效率，报告速度远低于亚纳秒水平。

就这样，复旦大学微电子学院周鹏教授、刘春森研究员报道了二维狄拉克石墨烯通道闪存装置，该闪存装置基于二维增强热载流子注入机制，可实现电子和空穴的双向注入。该装置展示了400皮秒的编程速度，非易失性存储特性，以及550万次以上循环的稳定耐久性。有关研究成果如下《Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection》问题发表在《Nature》杂志上。

研究发现，薄体通道结构可优化水平电场。（Ey）提高电场协助编程效率，促使注入电流在|VDS|=3.7. V时达到60.4 pA μm⁻⊃1;。另外，笔者还发现，二维半导体材料二硒化钨（WSe₂）同样具有二维增强热空穴注射能力，但其注射行为与石墨烯不同。该研究发现，在相同的通道长度下，非易失性闪存的编程速度可以超过最快的易失性静态随机存取存储器。

研究亮点

(1)试验首次提出并实现了基于二维材料通道的亚纳秒非易失性闪存装置，构建了以石墨烯为通道材料的Dirac闪存结构，利用二维增强热载流子注射机制(2D-HCI）完成400皮秒的极快编程速度，同时具有非易失存储特性和超过550万次的耐久性。

(2)试验利用二维材料的原子级厚度优势，通过引入通道厚度控制的横向电场分布效应(Ey分布)，显著提高了Ey的最高值，进而大大提高了热载流子的注入效率。研究表明，与传统硅材料系统相比，二维材料系统的注入电流提高了多个数量级。

(3)石墨烯可以有效地注入电子和空穴，而WSe二维半导体₂然后表现出不同的空穴注射行为。通过缩短通道长度进一步缩短到0.2μm，该装置在低编程电压(5V)下完成了400皮秒的快速编程。这项研究首次证明了二维材料通道可以打破传统闪存速度的瓶颈，甚至超过易失性SRAM最快的速度，为下一代高性能非易失存储系统提供了新的方向和物理机制支持。

图文解读

图1：材料依赖性行为注入热载流子。

图2：二维增强热载流子注入机制(2D2D)由通道薄厚调节的Ey分布效应实现-HCI）。

图3：亚纳秒闪存装置的存储性能。

图4：在编程电压和速度方面，基于电荷的存储器的性能标准比较。

结论展望

基于二维材料的原子级厚度，本文发现了一种横向电场，由通道厚度控制。（Ey）分布效应可以用来提高载流子的加速效率，从而实现热载流子注入的二维增强(2D-HCI）机制。作者进一步构建了二维石墨烯闪存装置，验证了2D-HCI机制可以实现400皮秒的编程速度，突破了非易失性存储器亚纳秒编程速度的瓶颈。该机制具有良好的耐久性，适用于二维狄拉克材料和二维半导体，显示其可靠性。

未来，随着通道长度的进一步缩短，设备性能有望继续提高。作者的研究成果为闪存中获得亚纳秒编程速度提供了新的机制，为高速非易失性存储技术的发展开辟了新的道路。

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