第三類存儲技術誕生,二維材料的新異質結構

2020-12-04 電子發燒友

第三類存儲技術誕生,二維材料的新異質結構

李倩 發表於 2018-04-16 10:00:43

曾經不知道從哪聽到過一個笑話：據說「數據工程師最大的悲哀就是數據沒了，人還活著」。或許沒那麼誇張，卻也足以體現數據在網際網路時代的重要性，那麼保存數據的手段——存儲的重要性自然也不容忽視。

目前的半導體電荷存儲技術主要有兩類，第一類是易失性存儲，如計算機內存，可在幾納秒之內寫入數據，但是掉電之後數據會立即消失。不知道讀者有沒有過東西寫了一半，突然電腦死機，恢復之後發現寫的東西全都沒了的經歷U盤，需要幾毫妙到幾十毫秒才能把數據保存下來，但是寫入數據後無需額外能量可保存十年，祈禱你的U盤不會丟，那你就可以在十年之內高枕無憂了。

這兩種存儲方式各有優缺點，人類的進化過程就是集合優點的過程，我們自然希望能將二者的優點集成起來，發明一種存儲速度快，又不易丟失的存儲方式。值得開心的是，科學家已經做到了。

第三類存儲技術誕生

近日，復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊製成具有顛覆性的二維半導體「準非易失存儲」原型器件，開創了第三類存儲技術，解決了國際半導體電荷存儲技術中「寫入速度」與「非易失性」難以兼得的難題。4.10日，相關工作以《用於準非易失應用的範德瓦爾斯結構半浮柵存儲》為題在線發表於《自然·納米技術》。

10納秒寫入和按需定製

第三類存儲技術寫入速度比目前的U盤快一萬倍，數據刷新時間是內存技術的156倍，並且擁有卓越的調控性，可以實現按照數據有效時間需求設計存儲器結構。它既滿足了10納秒寫入速度，又實現了按需定製（10秒—10年）的可調控數據準非易失特性；既可以在高速存儲中極大降低存儲功耗，還可以實現數據有效期截止後自然消失，為一些特殊應用場景解決了保密性和傳輸的矛盾。

張教授表示，利用這項技術，很可能實現移動存儲設備分享資料到期自動刪除，甚至可以實現存儲設備的無限容量。如果將這一技術應用到現有的電腦內存，在較高存儲速度和較長保存時間的條件下，就無需高頻刷新，這對降低能耗具有至關重要的意義。

據周鵬介紹，「這項研究創新性地選擇了多重二維材料堆疊構成了半浮柵結構電晶體：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用於開關電荷輸運和儲存，氮化硼作為隧穿層，製成階梯能谷結構的範德瓦爾斯異質結。」他表示，選擇這幾種二維材料，將充分發揮二維材料的豐富能帶特性。「一部分如同一道可隨手開關的門，電子易進難出；另一部分則像以面密不透風的牆，電子難以進出。對『寫入速度』與『非易失性』的調控，就在於這兩部分的比例。」

二維材料的新異質結構

寫入速度比目前U盤快10000倍，數據刷新時間是內存技術的156倍，並且擁有卓越的調控性，可以實現按照數據有效時間需求設計存儲器結構……經過測試，研究人員發現這種基於全二維材料的新型異質結能夠實現全新的第三類存儲特性。2017年，團隊在Small上報導了利用二維半導體的豐富能帶結構特性解決電荷存儲技術中的「過擦除」現象。後續在存儲器研究中，團隊發現，當利用二維半導體實現新型結構存儲後，會有更多「奇異新特性」。

據專家們介紹，二維材料發軔於石墨烯的發現，在平面內存在強有力的化學鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。因此，二維材料可以獲得單層的具有完美界面特性的原子級別晶體。同時它是一個兼有導體、半導體和絕緣體的完整體系。這對集成電路器件進一步微縮並提高集成度、穩定性以及開發新型存儲器都有著巨大潛力，是降低存儲器功耗和提高集成度的嶄新途徑。所以說，科學創新的重要一環在於原材料的選擇。

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