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研究背景
在追求亞納秒（sub-1-ns）編程速度的非易失性存儲技術(shù)過程中，突破傳統(tǒng)非易失性閃存與高速易失性靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）之間的性能限制，一直是存儲技術(shù)領(lǐng)域長期以來面臨的重要挑戰(zhàn)。
借助先進(jìn)材料所帶來的基礎(chǔ)物理創(chuàng)新，一系列新型存儲器正在被開發(fā)，以突破非易失性存儲的速度瓶頸。作為應(yīng)用最廣泛的非易失性存儲技術(shù)，閃存的編程速度受限于電場輔助注入機(jī)制的低效率，其報(bào)道的速度遠(yuǎn)慢于亞納秒水平。
有鑒于此，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬教授、劉春森研究員等人報(bào)道了一種基于二維增強(qiáng)熱載流子注入機(jī)制、可實(shí)現(xiàn)電子和空穴雙向注入的二維狄拉克石墨烯通道閃存器件。該器件展現(xiàn)出400皮秒的編程速度、非易失性存儲特性，以及超過550萬次循環(huán)的穩(wěn)定耐久性。相關(guān)研究成果以《Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection》為題發(fā)表在《Nature》雜志上。
研究表明，薄體通道結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化水平電場（Ey）的分布，提高電場輔助編程效率，使得注入電流在|VDS|=3.7?V時(shí)達(dá)到60.4?pA?μm?1。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，二維半導(dǎo)體材料二硒化鎢（WSe?）同樣具備二維增強(qiáng)熱空穴注入能力，但其注入行為與石墨烯不同。該研究表明，在相同通道長度下，非易失性閃存的編程速度可以超過最快的易失性靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于二維材料通道的亞納秒非易失性閃存器件，構(gòu)建了以石墨烯為通道材料的Dirac閃存結(jié)構(gòu)，并利用二維增強(qiáng)熱載流子注入機(jī)制（2D-HCI）實(shí)現(xiàn)了400皮秒的超快編程速度，同時(shí)具備非易失存儲特性和超過550萬次的耐久性。
（2）實(shí)驗(yàn)通過引入通道厚度調(diào)控的橫向電場分布效應(yīng)（Ey分布），利用二維材料的原子級厚度優(yōu)勢，顯著提升了Ey最大值，從而大幅增強(qiáng)了熱載流子注入效率。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)硅材料系統(tǒng)相比，二維材料體系的注入電流提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級。
（3）石墨烯實(shí)現(xiàn)了對電子和空穴的高效注入，而二維半導(dǎo)體WSe?則表現(xiàn)出不同的空穴注入行為。進(jìn)一步通過縮短通道長度至0.2微米，器件在低編程電壓（5V）下實(shí)現(xiàn)了400皮秒的快速編程。該研究首次證明了二維材料通道可以突破傳統(tǒng)閃存的速度瓶頸，甚至超過了最快的易失性SRAM器件速度，為下一代高性能非易失存儲技術(shù)提供了新的方向和物理機(jī)制支持。
圖文解讀
圖1： 熱載流子注入的材料依賴性行為。
圖2： 由通道厚度調(diào)控的Ey分布效應(yīng)所實(shí)現(xiàn)的二維增強(qiáng)熱載流子注入機(jī)制（2D-HCI）。
圖3： 亞納秒閃存器件的存儲性能。
圖4： 基于電荷的存儲器在編程電壓與速度方面的性能基準(zhǔn)比較。
結(jié)論展望
基于二維材料的原子級厚度，本文發(fā)現(xiàn)了一種由通道厚度調(diào)控的橫向電場（Ey）分布效應(yīng)，可用于提升載流子加速效率，從而實(shí)現(xiàn)二維增強(qiáng)熱載流子注入（2D-HCI）機(jī)制。作者進(jìn)一步構(gòu)建了二維石墨烯閃存器件，并驗(yàn)證該2D-HCI機(jī)制可實(shí)現(xiàn)400皮秒的編程速度，突破了非易失性存儲器亞納秒編程速度的瓶頸。該機(jī)制表現(xiàn)出良好的耐久性，且適用于二維狄拉克材料和二維半導(dǎo)體，表明其具有可靠性。
未來，隨著通道長度的進(jìn)一步縮短，器件性能有望持續(xù)提升。作者的研究成果為在閃存中實(shí)現(xiàn)亞納秒編程速度提供了新的機(jī)制，為高速度非易失性存儲技術(shù)的發(fā)展開辟了新路徑。
原文詳情：
Xiang, Y., Wang, C., Liu, C. et al. Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08839-w
