基于新结构的低功耗、非易失性存储器

随着计算机技术、人工智能、互联网的高速发展,信息量爆炸式增长,人们要处理的数据量与日俱增,大数据时代到来。这就对电子信息存储产品提出了更高的要求——高密度、高速度、低功耗、低成本等。

目前存储器市场的主要产品类型有动态存储器(DRAM)、静态存储器(SRAM)和闪存(FLASH)等存储器。近年来随着移动电话,数码相机,笔记本电脑、便携式游戏机等一些便携式电子产品的发展,对大容量非易失性存储器的需求越来越迫切。相比于DRAM 、SRAM等易失性存储器,Flash非易失性存储器既具有断电后数据继续保持的优点,又满足便携式产品短小轻薄的要求,使得其在电子产业市场中得到了飞速发展,成为非挥发性存储器的主流技术。随着半导体工艺的不断发展,传统的闪存将面临一系列的问题。如:通过研究可以发现,减少隧穿氧化层的厚度可以减小存储器在编程和擦除中所需的工作电压,从而提高编程和擦除速度。但是随着隧穿氧化层厚度越来越小, 浮栅中电荷的泄漏变得越来越严重, 直接影响 Flash 存储器的数据保持性能。因此,迫切需要在存储技术方面取得突破,可以通过引入新材料,新结构等,开发新型低功耗、高稳定性的非易失性存储器。新兴的二维材料,例如石墨烯、氮化硼、过渡族金属硫化物二硫化钼等,具有许多新奇的、优异的物理和化学特性,将其用于微电子存储领域,有望克服传统的技术障碍,突破物理缩放极限,变革性提高现有的存储技术,实现更高密度、高速度、低功耗的存储器。

近期,中科院物理研究所张广宇课题组基于过渡族金属硫化物二硫化钼、氮化硼等二维材料构建了垂直异质叠层结构,提出了一种新型双栅存储器,可以实现低的工作电压及优异的数据保持性,为解决当前Flash存储器面临的减小工作电压的同时仍能保持优异的数据保持性这一技术难题提供新的思路。该双栅结构非易失性存储器,可以实现低的操作电压≤ 5 V(即使隧穿层厚度≥10nm),优异的数据保持性(在时间长达105 s内,器件的开/关比的退化可忽略不计),以及超低关态电流(10-13 A,超低功耗应用)。该研究工作结合实验数据和仿真模拟发现,与传统的单栅存储器件不同,该双栅存储结构引入了新的电荷捕获机制,由于底栅极和顶栅极之间的电容耦合,使该器件中电荷能够在低工作电压下通过较厚的隧道层隧穿至顶部栅极中,从而实现低的操作电压及优异的数据保持性等存储性能。该研究成果突显了基于二硫化钼的双栅结构在低功耗和非易失信息存储中的应用潜质,为研究新型低功耗、非易失存储器提供了新的思路。

相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI:10.1002/aelm.201800726)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。