二维材料增强热载流子注入实现亚纳秒闪存技术的突破

《自然》最新研究推荐：针对非易失性存储器编程速度难以突破纳秒级瓶颈的难题，复旦大学团队通过二维材料（2D）增强热载流子注入（HCI）机制，开发出基于石墨烯通道的闪存器件，实现400 ps编程速度、5.5×106次耐久性和室温下10年数据保持能力，首次使非易失性存储器速度超越传统SRAM，为人工智能等高性能计算提供新解决方案。

　　

在当今人工智能和高速计算需求爆炸式增长的时代，存储器技术正面临前所未有的挑战。传统静态随机存取存储器（SRAM）虽能实现亚纳秒级操作速度，但其数据易失性和高能耗特性限制了应用；而主流非易失性闪存虽具有存储密度高、成本低的优势，却受限于Fowler-Nordheim（FN）隧穿和热载流子注入效率，编程速度长期停留在微秒至纳秒量级。这种速度与稳定性的"鱼与熊掌不可兼得"困境，成为制约计算能效提升的关键瓶颈。

针对这一重大科学问题，复旦大学微电子学院团队在《自然》发表了开创性研究成果。研究人员独辟蹊径地利用二维材料的原子级薄层特性，发现通道厚度调制水平电场（E_y）分布的新效应，提出二维增强热载流子注入（2D-HCI）机制，成功开发出基于石墨烯和二硒化钨（WSe₂）的亚纳秒闪存器件。这项工作不仅首次实现非易失性存储器速度超越传统SRAM的突破，更揭示了二维材料在下一代存储器中的独特物理优势。

关键技术方法包括：1）采用机械剥离和干法转移构建hBN/二维材料异质结；2）通过准二维模型理论计算电场分布；3）基于射频探针系统实现400 ps脉冲编程测试；4）结合透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征界面特性；5）采用HfO₂/Al₂O₃堆叠结构作为电荷俘获层。

材料依赖的热载流子注入行为

研究发现二维半导体与狄拉克材料展现出截然不同的载流子加速特性。在WSe₂晶体管中，空穴在通道内加速时会因散射损失能量，形成非线性电势分布；而石墨烯因其狄拉克锥能带结构和超长平均自由程（约微米级），电子和空穴均可实现几乎无散射的加速，产生准线性电势分布。电学测试显示，石墨烯器件在|V_DS|=3.7 V时注入电流达60.4 pAμm^-1，比硅基器件高5个数量级。

二维增强热载流子注入机制

通过建立准二维物理模型，团队解析出最大水平电场|E_y,max|∝t_ch^-1/2（WSe₂）和t_{ch-2/5（石墨烯）的标度关系。原子级薄层使二维材料通道形成"方形夹断区"（Gaussian box），相较传统硅的三角形夹断区，能更高效地将电压降集中在速度饱和区域，实现电场强度倍增。当通道厚度<3 nm时，石墨烯对厚度变化展现出更强敏感性。}

亚纳秒闪存性能

基于2D-HCI机制制备的石墨烯闪存展现出突破性性能：在L_ch=0.2 μm、|V_PROG|=5 V条件下实现400 ps编程速度，产生0.78 V记忆窗口；双向V_th调控能力；室温下60,000秒测试显示10年数据保持特性；以及5.5×10⁶次循环耐久性。对比实验表明，WSe₂闪存（L_ch=0.8 μm）也可实现1 ns编程速度。

亚纳秒闪存性能基准

与传统存储器相比：FN隧闪存（100 μs）和二维FN闪存（10-20 ns）需要15-30 V高电压；硅基热载流子闪存速度局限在纳秒级；而本研究实现的400 ps速度已超越0.18 μm节点SRAM（1 ns）和DRAM（1.4 ns）等易失性存储器，首次实现非易失性存储器在速度领域的"弯道超车"。

这项研究通过二维材料独特的物理特性，从根本上解决了非易失性存储器速度瓶颈这一持续数十年的难题。其科学价值体现在三个方面：首先，发现通道厚度调制电场分布的新效应，建立2D-HCI理论模型；其次，揭示狄拉克材料与半导体在载流子注入行为的本质差异；最后，示范了二维材料在存储器应用中不可替代的优势。在实际应用层面，该技术有望显著提升人工智能芯片的能效比，为存算一体架构提供关键硬件支持。未来通过器件微缩和阵列集成，或将开启非易失性存储器全面取代传统SRAM的新时代。