日前，世界最快閃存問世。它由復(fù)旦大學(xué)教授周鵬教授-劉春森研究員團(tuán)隊打造，寫入僅需 400 皮秒，一舉跑進(jìn)亞納秒級速度大關(guān)，打破了現(xiàn)有存儲速度的理論極限，讓現(xiàn)有存儲架構(gòu)得以被顛覆，為閃存性能樹立了新標(biāo)桿，相關(guān)論文已于近日發(fā)表在Nature
具體來說，該團(tuán)隊開發(fā)出一款名為“破曉”（PoX，Phase-change Oxide）的皮秒閃存器件，擦寫速度達(dá)到亞 1 納秒（400 皮秒），相當(dāng)于每秒可執(zhí)行 25 億次操作，大幅超越之前每秒 200 萬次操作的世界紀(jì)錄，也超越了同技術(shù)節(jié)點下全球最快的易失性存儲靜態(tài)隨機存取存儲器技術(shù)，故是目前全世界最快的半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)。
“破曉”即使在工作 60000 秒之后仍能保持穩(wěn)定。針對閾值電壓進(jìn)行的線性外推表明，在室溫下放置 10 年后，“破曉”仍然具有較大的存儲窗口。
皮秒級內(nèi)存，指的是能夠在千分之一納秒或萬億分之一秒內(nèi)讀寫數(shù)據(jù)的內(nèi)存。由于“破曉”是一種非易失性存儲器，因此它在空閑狀態(tài)之下無需供電即可保留數(shù)據(jù)。
在 AI 大模型如火如荼的當(dāng)下，“破曉”能夠起到一定的“及時雨”作用。它兼具極低能耗和超快皮秒級寫入速度，有望消除 AI 硬件中長期存在的內(nèi)存瓶頸問題。
當(dāng)前，AI 硬件中的大部分能耗都消耗在數(shù)據(jù)傳輸而非消耗在數(shù)據(jù)處理上。而本次研究團(tuán)隊徹底重構(gòu)了閃存的結(jié)構(gòu)，他們并沒有使用傳統(tǒng)的硅材料，而是采用了二維狄拉克石墨烯，這種材料能讓電荷快速地自由移動。
研究中，他們通過調(diào)整存儲器通道的高斯長度，提出一種名為二維增強型熱載流子注入的機制。
這使得電荷能以極快速度毫無限制地流入到存儲器的存儲層，從而能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)存儲器所面臨的速度限制。
研究中，課題組還通過使用 AI 算法來優(yōu)化工藝測試條件，目前流片驗證已經(jīng)完成，并已成功造出小規(guī)模的芯片。
總的來說，本次成果提供了一種在閃存中實現(xiàn)亞納秒級編程速度的機制，為開發(fā)高速非易失性存儲技術(shù)開辟了道路。這一突破標(biāo)志著閃存設(shè)備首次能在低于 1 納秒編程速度閾值的情況下可靠運行，為超高速數(shù)據(jù)存儲技術(shù)開辟了新道路。
據(jù)復(fù)旦大學(xué)介紹，研究團(tuán)隊計劃在 3-5 年將其集成到幾十兆的水平，屆時可授權(quán)給企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。與此同時，他們計劃將其集成到智能手機和計算機之中，未來當(dāng)在手機和電腦上部署本地模型時，將不再會遇到此前存儲技術(shù)面臨的延遲和發(fā)熱等問題。
提出重要機制，同時支持電子注入和空穴注入
如前所述，這是一種基于二維增強型熱載流子注入機制的二維狄拉克石墨烯通道閃存，而這一機制同時支持電子注入和空穴注入。
狄拉克通道閃存具有 400 皮秒的編程速度、非易失性存儲以及超過 5.5×10^6 次循環(huán)的穩(wěn)健耐久性。
研究中，課題組所使用的薄體溝道能夠優(yōu)化水平電場（Ey，Electric Field）分布。其還發(fā)現(xiàn)，作為一種二維半導(dǎo)體二硒化鎢具有二維增強的熱空穴注入特性，但注入行為有所不同。
在相同溝道長度之下，非易失性閃存的速度能夠超過最快的易失性靜態(tài)隨機存取存儲器。
研究中，該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)一種由溝道厚度調(diào)控的水平電場分布效應(yīng)，該效應(yīng)通過利用二維材料的原子級薄特性，能夠有效提高水平電場的最大值，并能促進(jìn)二維增強型熱載流子注入。
實驗中，他們觀察到二維材料中的注入電流，比硅材料系統(tǒng)中的注入電流高幾個數(shù)量級。
此外，他們在二維狄拉克材料石墨烯和二維半導(dǎo)體二硒化鎢上還觀察到了不同的注入行為。
利用二維增強型熱載流子注入機制，該團(tuán)隊開發(fā)了具有不同溝道長度的亞納秒級閃存，并發(fā)現(xiàn)隨著器件尺寸的縮小，注入效率也能得到提高。
并不局限于單一的材料系統(tǒng)
前面提到，研究人員利用二維增強型熱載流子注入機制，讓閃存突破了速度瓶頸。
石墨烯中熱電子與熱空穴通道的同步加速現(xiàn)象，使其成為展示閃存中該機制卓越性能的理想材料。
研究團(tuán)隊基于六方氮化硼（hBN）/二氧化鉿（HfO2）/氧化鋁（Al2O3）存儲堆疊結(jié)構(gòu)，成功制備了石墨烯閃存。
為了實現(xiàn)亞納秒級的測量，他們使用了具有“地-信號-地”（GSG，ground–signal–ground）結(jié)構(gòu)的射頻探頭，其中信號連接到柵極端子和漏極端子，接地則連接至源極。
兩個 GSG 探針通過校準(zhǔn)基板進(jìn)行短路，以便確保高速測試系統(tǒng)能夠顯示低于 1 納秒的編程電壓波形。
在二維閃存的結(jié)構(gòu)上，通過操縱柵極編程脈沖和漏極編程脈沖，讓載流子可以通過六方氮化硼層注入到二氧化鉿層中。
下圖展示了一個雙層石墨烯器件的透射電子顯微鏡圖像，該圖像表明研究人員在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了原子級平整的界面。
下圖展示了采用二維增強型熱載流子注入機制的閃存性能，其編程速度可突破 1 納秒的瓶頸。
通過施加脈沖，讓溝道中的電子可以通過溝道加速快速獲得足夠能量，從而注入二氧化鉿電荷捕獲層。
由于薄體通道實現(xiàn)了極高的注入效率，因此有足夠的存儲電子來生成一個較大的非易失性存儲窗口。
研究人員所施加的 VPROG 編程脈沖寬度穩(wěn)定保持 400 皮秒，經(jīng)三次重復(fù)測試均呈現(xiàn)一致的瞬態(tài)響應(yīng)特性。
在論文中，他們還展示了存儲器窗口與編程速度之間的關(guān)聯(lián)特性。當(dāng)編程脈沖寬度從 1 納秒縮減至 400 皮秒時，存儲器窗口相應(yīng)地從 1.8 伏特減小到 0.78 伏特。
通過利用二維增強型熱電子和熱空穴注入，石墨烯閃存可以實現(xiàn)亞納秒級別的雙向閾值電壓偏移。
研究團(tuán)隊還證明：基于二維增強型熱空穴注入機制，二硫化鎢閃存具有高達(dá) 1 納秒的編程速度，且開/關(guān)比約為 10^3。
與此同時，研究人員在室溫下評估了兩種狀態(tài)的穩(wěn)定性。他們在不同時間間隔之中測量轉(zhuǎn)移曲線，并提取電子和空穴捕獲后的閾值電壓保持率。
下圖展示了“破曉”的強大耐久性。經(jīng)過一系列的編程循環(huán)之后，該設(shè)備可在兩種狀態(tài)之間反復(fù)切換，并在 5.5×10^6 次循環(huán)內(nèi)正常工作。
這種穩(wěn)健的耐久性特性得益于低編程電壓和短累積應(yīng)力時間，體現(xiàn)了二維增強型熱載流子注入機制的先進(jìn)性。
與此同時，二維增強型熱載流子注入機制可以與更加廣泛的二維材料兼容，包括像石墨烯這樣的狄拉克材料以及過渡金屬硫族化合物等二維半導(dǎo)體。
這表明本次方法并不局限于單一的材料系統(tǒng)，也能在不同的原子尺度平臺上進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，故能助力解決半導(dǎo)體器件工程中擴(kuò)展定律所面臨的既有約束。
有望重塑全球數(shù)字存儲技術(shù)的格局
總的來說，基于二維材料的原子厚度，本次課題組發(fā)現(xiàn)了通道厚度調(diào)制的外延分布效應(yīng)，該效應(yīng)可用于提高載流子加速效率，并實現(xiàn)二維增強型熱載流子注入機制。
他們進(jìn)一步構(gòu)建了二維石墨烯閃存器件“破曉”，并驗證了二維增強型熱載流子注入機制能夠?qū)崿F(xiàn) 400 皮秒的編程速度，從而突破了非易失性存儲器亞納秒編程速度的瓶頸。
該機制具有穩(wěn)健的耐用性，既支持二維狄拉克材料，也支持二維半導(dǎo)體，這表明二維增強型熱載流子注入機制的可靠性。
這讓研究人員得以利用二維材料的獨特特性，打破了閃存設(shè)備長期存在的速度障礙。通過利用二維結(jié)構(gòu)原子級別的厚度，其展示了二維增強熱載流子注入的新機制，借此有效實現(xiàn)了數(shù)百皮秒量級的編程速度，并通過精細(xì)調(diào)控溝道厚度來調(diào)整電場分布，揭示了量子限制系統(tǒng)如何顯著改變載流子行為。
當(dāng)前，人們對于快速數(shù)據(jù)訪問和高吞吐量存儲的需求將持續(xù)攀升。隨著 AI、大數(shù)據(jù)分析和增強現(xiàn)實技術(shù)推動的工作負(fù)載日益繁重，對快速、可靠且節(jié)能的非易失性存儲技術(shù)的需求從未如此迫切。
而實現(xiàn)亞納秒級編程速度所帶來的影響，預(yù)計將深遠(yuǎn)地延伸至計算領(lǐng)域的未來。從根本上說，這項工作在原子尺度上為熱載流子動力學(xué)提供了新的理解。通過二維增強熱載流子注入成功實現(xiàn)亞納秒級閃存編程，帶來了具有變革潛力的范式轉(zhuǎn)變。
研究團(tuán)隊利用二維材料的非凡特性，將基礎(chǔ)物理學(xué)與實用器件工程相結(jié)合，預(yù)示著超快速、穩(wěn)健且可擴(kuò)展的存儲器件新時代的到來，因此“破曉”或許有望重塑全球數(shù)字存儲技術(shù)的格局。
未來，通過使用高質(zhì)量的化學(xué)氣相沉積材料和大規(guī)模集成工藝，他們將進(jìn)一步提高器件的均勻性，以便為實際應(yīng)用鋪平道路。預(yù)計通過縮短通道長度，“破曉”的性能將得到進(jìn)一步提升。
參考資料：
1.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
https://mp.weixin.qq.com/s/ytknNI0xrOtik6eFdNWoGw?poc_token=HO2WBGijA_CHwA59KdQSrSoROtDVRbJglKsDG81A
排版：溪樹
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