复旦团队实现亚纳秒级闪存擦写速度，为闪存性能树立新标杆

　　日前，世界最快闪存问世。它由复旦大学教授周鹏教授-刘春森研究员团队打造，写入仅需 400 皮秒，一举跑进亚纳秒级速度大关，打破了现有存储速度的理论极限，让现有存储架构得以被颠覆，为闪存性能树立了新标杆，相关论文已于近日发表在Nature。

（来源：资料图）

　　具体来说，该团队开发出一款名为“破晓”（PoX，Phase-change Oxide）的皮秒闪存器件，擦写速度达到亚 1 纳秒（400 皮秒），相当于每秒可执行 25 亿次操作，大幅超越之前每秒 200 万次操作的世界纪录，也超越了同技术节点下全球最快的易失性存储静态随机存取存储器技术，故是目前全世界最快的半导体电荷存储技术。

　　“破晓”即使在工作 60000 秒之后仍能保持稳定。针对阈值电压进行的线性外推表明，在室　温下放置 10 年后，“破晓”仍然具有较大的存储窗口。

　　皮秒级内存，指的是能够在千分之一纳秒或万亿分之一秒内读写数据的内存。由于“破晓”是一种非易失性存储器，因此它在空闲状态之下无需供电即可保留数据。

　　在 AI 大模型如火如荼的当下，“破晓”能够起到一定的“及时雨”作用。它兼具极低能耗和超快皮秒级写入速度，有望消除 AI 硬件中长期存在的内存瓶颈问题。

　　当前，AI 硬件中的大部分能耗都消耗在数据传输而非消耗在数据处理上。而本次研究团队彻底重构了闪存的结构，他们并没有使用传统的硅材料，而是采用了二维狄拉克石墨烯，这种材料能让电荷快速地自由移动。

　　研究中，他们通过调整存储器通道的高斯长度，提出一种名为二维增强型热载流子注入的机制。

　　这使得电荷能以极快速度毫无限制地流入到存储器的存储层，从而能够有效规避传统存储器所面临的速度限制。

　　研究中，课题组还通过使用 AI 算法来优化工艺测试条件，目前流片验证已经完成，并已成功造出小规模的芯片。

　　总的来说，本次成果提供了一种在闪存中实现亚纳秒级编程速度的机制，为开发高速非易失性存储技术开辟了道路。这一突破标志着闪存设备首次能在低于 1 纳秒编程速度阈值的情况下可靠运行，为超高速数据存储技术开辟了新道路。

　　据复旦大学介绍，研究团队计划在 3-5 年将其集成到几十兆的水平，届时可授权给企业进行产业化。与此同时，他们计划将其集成到智能手机和计算机之中，未来当在手机和电脑上部署本地模型时，将不再会遇到此前存储技术面临的延迟和发热等问题。

提出重要机制，同时支持电子注入和空穴注入

　　如前所述，这是一种基于二维增强型热载流子注入机制的二维狄拉克石墨烯通道闪存，而这一机制同时支持电子注入和空穴注入。

　　狄拉克通道闪存具有 400 皮秒的编程速度、非易失性存储以及超过 5.5×10^6 次循环的稳健耐久性。

　　研究中，课题组所使用的薄体沟道能够优化水平电场（Ey，Electric Field）分布。其还发现，作为一种二维半导体二硒化钨具有二维增强的热空穴注入特性，但注入行为有所不同。

　　在相同沟道长度之下，非易失性闪存的速度能够超过最快的易失性静态随机存取存储器。

　　研究中，该团队还发现一种由沟道厚度调控的水平电场分布效应，该效应通过利用二维材料的原子级薄特性，能够有效提高水平电场的最大值，并能促进二维增强型热载流子注入。

　　实验中，他们观察到二维材料中的注入电流，比硅材料系统中的注入电流高几个数量级。

　　此外，他们在二维狄拉克材料石墨烯和二维半导体二硒化钨上还观察到了不同的注入行为。

　　利用二维增强型热载流子注入机制，该团队开发了具有不同沟道长度的亚纳秒级闪存，并发现随着器件尺寸的缩小，注入效率也能得到提高。

并不局限于单一的材料系统

　　前面提到，研究人员利用二维增强型热载流子注入机制，让闪存突破了速度瓶颈。

　　石墨烯中热电子与热空穴通道的同步加速现象，使其成为展示闪存中该机制卓越性能的理想材料。

　　研究团队基于六方氮化硼（hBN）/二氧化铪（HfO2）/氧化铝（Al2O3）存储堆叠结构，成功制备了石墨烯闪存。

　　为了实现亚纳秒级的测量，他们使用了具有“地-信号-地”（GSG，ground–signal–ground）结构的射频探头，其中信号连接到栅极端子和漏极端子，接地则连接至源极。

（来源：Nature）

　　两个 GSG 探针通过校准基板进行短路，以便确保高速测试系统能够显示低于 1 纳秒的编程电压波形。

　　在二维闪存的结构上，通过操纵栅极编程脉冲和漏极编程脉冲，让载流子可以通过六方氮化硼层注入到二氧化铪层中。

　　下图展示了一个双层石墨烯器件的透射电子显微镜图像，该图像表明研究人员在异质结构中实现了原子级平整的界面。

（来源：Nature）

　　下图展示了采用二维增强型热载流子注入机制的闪存性能，其编程速度可突破 1 纳秒的瓶颈。

（来源：Nature）

　　通过施加脉冲，让沟道中的电子可以通过沟道加速快速获得足够能量，从而注入二氧化铪电荷捕获层。

　　由于薄体通道实现了极高的注入效率，因此有足够的存储电子来生成一个较大的非易失性存储窗口。

　　研究人员所施加的 VPROG 编程脉冲宽度稳定保持 400 皮秒，经三次重复测试均呈现一致的瞬态响应特性。

　　在论文中，他们还展示了存储器窗口与编程速度之间的关联特性。当编程脉冲宽度从 1 纳秒缩减至 400 皮秒时，存储器窗口相应地从 1.8 伏特减小到 0.78 伏特。

　　通过利用二维增强型热电子和热空穴注入，石墨烯闪存可以实现亚纳秒级别的双向阈值电压偏移。

　　研究团队还证明：基于二维增强型热空穴注入机制，二硫化钨闪存具有高达 1 纳秒的编程速度，且开/关比约为 10^3。

图 | 该图证实了闪存设备的非易失性数据保留能力（来源：Nature）

　　与此同时，研究人员在室温下评估了两种状态的稳定性。他们在不同时间间隔之中测量转移曲线，并提取电子和空穴捕获后的阈值电压保持率。

　　下图展示了“破晓”的强大耐久性。经过一系列的编程循环之后，该设备可在两种状态之间反复切换，并在 5.5×10^6 次循环内正常工作。

（来源：Nature）

　　这种稳健的耐久性特性得益于低编程电压和短累积应力时间，体现了二维增强型热载流子注入机制的先进性。

　　与此同时，二维增强型热载流子注入机制可以与更加广泛的二维材料兼容，包括像石墨烯这样的狄拉克材料以及过渡金属硫族化合物等二维半导体。

　　这表明本次方法并不局限于单一的材料系统，也能在不同的原子尺度平台上进行优化和调整，故能助力解决半导体器件工程中扩展定律所面临的既有约束。

有望重塑全球数字存储技术的格局

　　总的来说，基于二维材料的原子厚度，本次课题组发现了通道厚度调制的外延分布效应，该效应可用于提高载流子加速效率，并实现二维增强型热载流子注入机制。

　　他们进一步构建了二维石墨烯闪存器件“破晓”，并验证了二维增强型热载流子注入机制能够实现 400 皮秒的编程速度，从而突破了非易失性存储器亚纳秒编程速度的瓶颈。

　　该机制具有稳健的耐用性，既支持二维狄拉克材料，也支持二维半导体，这表明二维增强型热载流子注入机制的可靠性。

　　这让研究人员得以利用二维材料的独特特性，打破了闪存设备长期存在的速度障碍。通过利用二维结构原子级别的厚度，其展示了二维增强热载流子注入的新机制，借此有效实现了数百皮秒量级的编程速度，并通过精细调控沟道厚度来调整电场分布，揭示了量子限制系统如何显著改变载流子行为。

　　当前，人们对于快速数据访问和高吞吐量存储的需求将持续攀升。随着 AI、大数据分析和增强现实技术推动的工作负载日益繁重，对快速、可靠且节能的非易失性存储技术的需求从未如此迫切。

　　而实现亚纳秒级编程速度所带来的影响，预计将深远地延伸至计算领域的未来。从根本上说，这项工作在原子尺度上为热载流子动力学提供了新的理解。通过二维增强热载流子注入成功实现亚纳秒级闪存编程，带来了具有变革潜力的范式转变。

　　研究团队利用二维材料的非凡特性，将基础物理学与实用器件工程相结合，预示着超快速、稳健且可扩展的存储器件新时代的到来，因此“破晓”或许有望重塑全球数字存储技术的格局。

　　未来，通过使用高质量的化学气相沉积材料和大规模集成工艺，他们将进一步提高器件的均匀性，以便为实际应用铺平道路。预计通过缩短通道长度，“破晓”的性能将得到进一步提升。

　　来源：DeepTech深科技