以“四个面向”为引领，复旦大学微电子学院教授周鹏团队针对主流电荷存储器技术，发现了制约硅基闪存技术的原理瓶颈，提供了可以应用于硅材料的器件模型，实现了匹敌易失内存技术的超快速度，为统一存储器的发展提供了技术途径。北京时间6月3日，相关成果以《基于范德瓦尔斯异质结构的超快非易失闪存》（“Ultrafast non-volatile flash memory based on van der Waals heterostructures”）为题在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）在线发表。
闪存自1967年发明以来，由于其高密度低成本的特性，已经占据了先进非易失存储技术99%的市场。然而自从东芝公司实现商业化技术后，工作在量子隧穿机制下的硅基闪存编程时间一直在百微秒量级，无法实现对速度有较高要求的内存级应用。那么量子隧穿机制是注定不能实现更快的速度吗？
周鹏团队从源头出发，首次发现了双三角隧穿势垒超快电荷存储机理，突破了传统经验束缚，获得了内存DRAM技术级编程速度。研究发现，在存储与擦除的工作过程中，势垒高度决定了电荷隧穿通过的难易程度，栅耦合比决定了栅极控制电压产生的电荷密度，良好界面保证了不会引入额外沾污或缺陷。从以上三大方面看，现有的硅/氧化硅界面非常完美，周鹏团队发现并证明了栅耦合比、势垒高度是决定电荷存储器速度的根本因素。
周鹏团队根据此超快电荷存储原理建立了通用器件模型，设计并制备出同时具备三大要素的范德华异质结闪存，采用工业界标准阈值漂移测试和高温加速老化测试方案，验证了20纳秒编程时间和10年数据保持能力；并对器件进行了理论模拟计算，实验数据和理论模拟结果吻合一致；同时探讨了三大要素的不同程度缺失导致器件速度衰退的物理机制，为在硅体系中开展应用指出了原则性的研发路径。
图1.双三角隧穿势垒超快电荷存储机理示意图
图2.存储器中电子与空穴编程速度与栅耦合比、电场的定量关系图
微电子学院博士生刘岚和博士后刘春森为论文第一作者，微电子学院教授陈时友和周鹏为论文通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、应急重点项目及上海市集成电路重点专项等项目的资助，以及教育部创新平台和专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00921-4
