發(fā)展高性能存儲器件在現(xiàn)代電子學(xué)的革新中扮演著關(guān)鍵角色。在海量數(shù)據(jù)存儲和超快數(shù)據(jù)處理的需求驅(qū)動下，發(fā)展超快非易失性存儲器件勢在必行。當(dāng)前在存儲領(lǐng)域里面臨的主要瓶頸問題有：操作速度慢、數(shù)據(jù)保持時間短、數(shù)據(jù)維持性差、擦除/寫入比低等。特別是，隨著器件尺寸的進一步縮微化，為了滿足日益增長的存儲容量的需求，硅基技術(shù)很快就會達到極限。其中的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于超薄硅體材表面不可避免的存在大量的界面懸掛鍵，從而造成器件性能的嚴(yán)重退化。因此亟需尋找原子級銳利的界面，并且能將其無縫地集成到器件層級結(jié)構(gòu)中。

在所有的候選研究體系中，二維原子晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)這個近年來涌現(xiàn)出來的新型材料體系具有理想的原子級平坦的表面，沒有表面懸掛鍵。而且它們對短溝道效應(yīng)免疫，從而使得高效的靜電調(diào)控和力學(xué)柔性成為了可能。之前，研究者曾經(jīng)利用二維原子晶體來構(gòu)筑閃存器件，然而器件性能并不理想。這些閃存器件的編程時間非常長，在數(shù)百微秒到數(shù)秒量級；擦除/寫入比也很低，在10到106的范圍。雖然，利用半浮柵的器件結(jié)構(gòu)成功將編程時間縮短至數(shù)十納秒，但是數(shù)據(jù)保持時間非常短，只有數(shù)秒，使得其并不適用于長期存儲。理論模擬也表明，基于層狀材料的平面結(jié)構(gòu)制作的理想浮柵存儲器件，其操作時間可以快至納秒量級。然而，超快浮柵存儲器件至今沒有被研制成功。

針對這一重大挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心高鴻鈞院士研究團隊的博士生吳良妹和鮑麗宏副研究員等利用二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的原子級銳利界面及增強的界面耦合特性，無需修改商用的器件結(jié)構(gòu)，首次成功構(gòu)筑了超快、非易失浮柵存儲器件，成功實現(xiàn)了其納秒級（~20 ns）的讀寫時間（商用閃存器件為百微秒），極高的擦除/寫入比（~1010）和極長的存儲時間（10年以上）。

圖1. 基于InSe/hBN/MLG范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵場效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)及原子級銳利的界面特性。

圖1a和1b是器件的結(jié)構(gòu)示意圖及光學(xué)顯微照片，其中InSe是溝道、hBN是隧穿勢壘層、MLG是浮柵、SiO2是控制柵介電層、重摻硅是控制柵。高分辨掃描透射電子顯微鏡表征顯示InSe/hBN/MLG異質(zhì)結(jié)具有原子級銳利的界面特性（圖1 c-e）。基本的存儲特性表征顯示浮柵場效應(yīng)晶體管具有大的存儲窗口（圖2）。通過在控制柵上施加一個幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈沖電壓對浮柵存儲器進行編程/擦除操作，浮柵存儲器表現(xiàn)出極高的擦除/寫入比（擦除態(tài)/編程態(tài)電流比為~1010）、極長的存儲時間（大于10年）和優(yōu)異的耐久性（可重讀擦寫次數(shù)大于2000）（圖3）。進一步利用自主搭建的超短脈沖電源（半峰寬為21 ns，幅值為+20.2/-20.8 V）來對器件進行寫入/擦除操作，仍然能成功實現(xiàn)高的擦除/寫入比（1010），及超快讀取（圖4 a-d）；此外，將InSe溝道替換成MoS2，同樣能實現(xiàn)超快的編程/擦除操作，表明了具有原子級銳利界面的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超快浮柵存儲器的普適性。更進一步受益于極高的擦除/寫入比，他們通過優(yōu)化hBN的厚度，實現(xiàn)了浮柵存儲器的多值存儲（圖4 e）。

圖2. 基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵場效應(yīng)晶體管的基本存儲特性表征顯示其具有大存儲窗口。

圖3. 基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵存儲器的擦除/寫入操作，超高擦除/寫入比，數(shù)據(jù)存儲的非易失性及耐久性。a. 基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵存儲器的編程、擦除及相應(yīng)的讀取操作原理。b. 在控制柵上施加幅值為+17.7/-17.7 V、半峰寬為160 ns的脈沖電壓成功實現(xiàn)浮柵存儲器的編程/擦除操作，擦除/寫入比高達~1010。c. 對浮柵存儲器進行編程/擦除操作后，編程態(tài)和擦除態(tài)的閾值電壓隨時間的變化關(guān)系表明浮柵存儲器具有非易失的數(shù)據(jù)保持能力（十年以上）。d. 對浮柵存儲器反復(fù)進行2000次以上的擦除/寫入操作，其擦除態(tài)和編程態(tài)電流幾乎沒有任何變化，表明浮柵存儲器的優(yōu)異耐久性能。

圖4. 基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的浮柵存儲器的超快寫入/擦除操作及其多值存儲特性。a. 在控制柵上施加幅值為+20.2/-20.8 V、半峰寬為21 ns的脈沖電壓成功實現(xiàn)浮柵存儲器的編程/擦除操作，擦除/寫入比高達~1010。b-c. 浮柵存儲器在經(jīng)過編程（b）和擦除（c）脈沖后的超快響應(yīng)。d. 對浮柵存儲器進行間隔為~100 ns的連續(xù)擦除、編程操作后的電流特性。e. 浮柵存儲器的多值（2-bit）存儲特性。

基于原子級銳利界面的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)超快浮柵存儲器具有和動態(tài)隨機存取存儲器（10 ns）相當(dāng)?shù)木幊趟俣龋瑫r具備非易失、大容量的存儲特性。對于發(fā)展未來高性能非易失存儲器具有重要意義，也為進一步開發(fā)基于范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高性能電子器件提供了一種創(chuàng)新思路。未來在應(yīng)用上的挑戰(zhàn)主要是高質(zhì)量、大面積hBN和二維原子晶體溝道材料的外延生長及其集成器件的構(gòu)筑。