复旦开创第三类存储技术, “写入速度”和“非易失性”将可兼得

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曾经不知道从哪听到过一个笑话:据说“数据工程师最大的悲哀就是数据没了,人还活着”。或许没那么夸张,却也足以体现数据在互联网时代的重要性,那么保存数据的手段——存储的重要性自然也不容忽视。

目前的半导体电荷存储技术主要有两类,第一类是易失性存储,如计算机内存,可在几纳秒之内写入数据,但是掉电之后数据会立即消失。不知道读者有没有过东西写了一半,突然电脑死机,恢复之后发现写的东西全都没了的经历,反正我是有过,那种心痛真是不忍回忆。另一种则是非易失性存储,例如U盘,需要几微妙到几十微秒才能把数据保存下来,但是写入数据后无需额外能量可保存十年,祈祷你的U盘不会丢,那你就可以在十年之内高枕无忧了。

这两种存储方式各有优缺点,人类的进化过程就是集合优点的过程,我们自然希望能将二者的优点集成起来,发明一种存储速度快,又不易丢失的存储方式。值得开心的是,科学家已经做到了。

第三类存储技术诞生

近日,复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队制成具有颠覆性的二维半导体“准非易失存储”原型器件,开创了第三类存储技术,解决了国际半导体电荷存储技术中“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题。4.10日,相关工作以《用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储》为题在线发表于《自然·纳米技术》。

10纳秒写入和按需定制

第三类存储技术写入速度比目前的U盘快一万倍,数据刷新时间是内存技术的156倍,并且拥有卓越的调控性,可以实现按照数据有效时间需求设计存储器结构。它既满足了10纳秒写入速度,又实现了按需定制(10秒—10年)的可调控数据准非易失特性;既可以在高度存储中极大降低存储功耗,还可以实现数据有效期截止后自然消失,为一些特殊应用场景解决了保密性和传输的矛盾。

张教授表示,利用这项技术,很可能实现移动存储设备分享资料到期自动删除,甚至可以实现存储设备的无线容量。如果将这一技术应用到现有的电脑内存,在较高存储速度和较长保存时间的条件下,就无需高频刷新,这对降低能耗具有至关重要的意义。

据周鹏介绍,“这项研究创新性地选择了多重二维材料堆叠构成了半浮栅结构晶体管:二硫化钼、二硒化钨、二硫化铪分别用于开关电荷输运和储存,氮化硼作为隧穿层,制成阶梯能谷结构的范德瓦尔斯异质结。”他表示,选择这几种二维材料,将充分发挥二维材料的丰富能带特性。“一部分如同一道可随手开关的门,电子易进难出;另一部分则像以面密不透风的墙,电子难以进出。对‘写入速度’与‘非易失性’的调控,就在于这两部分的比例。”

二维材料的新异质结构

写入速度比目前U盘快10000倍,数据刷新时间是内存技术的156倍,并且拥有卓越的调控性,可以实现按照数据有效时间需求设计存储器结构……经过测试,研究人员发现这种基于全二维材料的新型异质结能够实现全新的第三类存储特性。2017年,团队在Small上报道了利用二维半导体的丰富能带结构特性解决电荷存储技术中的“过擦除”现象。后续在存储器研究中,团队发现,当利用二维半导体实现新型结构存储后,会有更多“奇异新特性”。

据专家们介绍,二维材料发轫于石墨烯的发现,在平面内存在强有力的化学键键合,而层与层之间则依靠分子间作用力堆叠在一起。因此,二维材料可以获得单层的具有完美界面特性的原子级别晶体。同时它是一个兼有导体、半导体和绝缘体的完整体系。这对集成电路器件进一步微缩并提高集成度、稳定性以及开发新型存储器都有着巨大潜力,是降低存储器功耗和提高集成度的崭新途径。所以说,科学创新的重要一环在于原材料的选择。

 

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