近日，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種名為“破曉（PoX）”的皮秒級(jí)閃存器件，其擦寫速度達(dá)到亞納秒級(jí)別，比現(xiàn)有技術(shù)快1萬(wàn)倍，數(shù)據(jù)保存年限據(jù)實(shí)驗(yàn)外推可達(dá)十年以上。相關(guān)研究成果已登上國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》。

該項(xiàng)目由復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院的周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)完成。周鵬教授現(xiàn)任復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)，長(zhǎng)期致力于集成電路新材料與新器件的研究。劉春森博士為青年研究員，與周鵬教授共同擔(dān)任論文通訊作者。

傳統(tǒng)閃存器件中，硅材料的性能受限于電子有效質(zhì)量和聲子散射等因素，導(dǎo)致熱載流子注入效率較低。復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過將硅替換為石墨烯和二硒化鎢等二維材料，成功實(shí)現(xiàn)了亞納秒級(jí)的擦寫速度。

研究發(fā)現(xiàn)，二維材料的獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性顯著提升了熱載流子注入效率。以石墨烯為例，其載流子有效質(zhì)量接近于零，遷移率極高，散射概率大幅降低。當(dāng)溝道厚度減小至2納米左右時(shí)，漏端附近的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度是傳統(tǒng)體硅器件的數(shù)倍，這使得載流子能夠在極短距離內(nèi)被加速至高能量，從而大幅提高了注入效率。

器件結(jié)構(gòu)與制備工藝

團(tuán)隊(duì)基于石墨烯和二硒化鎢分別制備了兩種閃存器件，均采用“三明治結(jié)構(gòu)”。從上到下依次包括源漏電極、溝道層、存儲(chǔ)堆疊結(jié)構(gòu)、金屬柵極和硅襯底。其中，石墨烯版本的存儲(chǔ)堆疊結(jié)構(gòu)還包含一個(gè)電荷存儲(chǔ)層。

制備過程中，研究人員通過機(jī)械剝離法獲得原子級(jí)厚度的二維材料薄片，并采用干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到硅/二氧化硅襯底上。隨后，通過電子束曝光和金屬蒸鍍工藝制備源極和漏極金屬電極。為優(yōu)化性能，團(tuán)隊(duì)還引入了六方氮化硼作為絕緣隔離層，并通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法沉積氧化鋁和二氧化鉿薄膜，形成高效的“二元介質(zhì)層”結(jié)構(gòu)。

最終，石墨烯版本的閃存器件在通道長(zhǎng)度為0.2微米時(shí)，實(shí)現(xiàn)了400皮秒的編程速度，打破了傳統(tǒng)閃存1納秒的速度瓶頸，每秒可操作25億次。