我國科研團隊在二維高性能浮柵晶體管存儲器方面取得重要進展

據華中科技大學新聞網15日消息，該校材料成形與模具技術全國重點實驗室教授翟天佑團隊在二維高性能浮柵晶體管存儲器方面取得重要進展，研製了一種具有邊緣接觸特徵的新型二維浮柵晶體管器件，與現有商業閃存器件性能對比，其擦寫速度、循環壽命等關鍵性能均有提升，為發展高性能、高密度大容量存儲器件提供了新的思路。

浮柵晶體管作為一種電荷存儲器，是構成當前大容量固態存儲器發展的核心元器件。然而，當前，商業閃存內硅基浮柵存儲器件所需的擦寫時間約10μs-1ms範圍，遠低於計算單元CPU的數據處理速度(~ns) ，而其循環耐久性約為105次，也難以滿足頻繁的數據交互。隨着計算機數據吞吐量的爆發式增長，突破傳統浮柵晶體管擦寫速度、耐久性等瓶頸，發展一種可兼顧高速、耐久特性的存儲技術勢在必行。

二維材料具有原子級厚度和無懸掛鍵表面，在器件集成時可有效避免窄溝道效應和界面態釘扎等問題，是實現高密度集成、高性能閃存器件的理想材料。然而，此前研究中，其數據擦寫速度多異常緩慢，鮮有器件可同時實現高速和高循環耐久性。針對這一挑戰，研究團隊提出了一種具有邊緣接觸特徵的新型二維浮柵晶體管器件，如圖2所示，利用MoS2材料內獨特的1T/2H金屬-絕緣體相變工程在傳統二維浮柵晶體管器件內引入邊緣接觸實現了擦寫速度在10-100ns、循環耐久性超過3×106次的高性能存儲器件。

研究中，團隊利用化學Li+插層手段，對傳統金屬-半導體接觸區域內MoS2進行相轉變，使其由半導體相（2H）向金屬相（1T）轉變，使器件內金屬-半導體接觸類型由傳統的3D/2D面接觸過渡為具有原子級鋭利界面的2D/2D型邊緣接觸。團隊在長期的研究中發現，這種接觸模式可有效避免接觸勢壘釘扎，從而有利於晶體管內通過金-半接觸產生熱電子注入，促進浮柵晶體管內電荷擦寫效率的提升，在7-15V較低的工作電壓和超短的脈衝下完成浮柵電荷的擦寫，保證器件的循環耐久性。通過對比傳統面接觸電極與新型邊緣接觸，該研究説明了優化製備二維浮柵存儲器件內金屬-半導體接觸界面對改善其擦寫速度、循環壽命等關鍵性能的重要作用。

與現有商業閃存器件性能對比，研究所製備的二維浮柵晶體管在擦寫速度、循環壽命方面均有了大幅度提升，展現出優越的存儲性能。而作為一種適用於二維半導體器件的獨特接觸模式，新型邊緣接觸模式可有效避免接觸電極尺寸效應，有利於接下來進一步推進其高密度集成，發展高性能、高密度大容量存儲器件提供新的思路。

邊緣接觸式二維浮柵存儲器的表徵及其操作性能。

華中科技大學為該論文第一完成單位，材料學院博士研究生餘軍和碩士研究生王晗為論文共同第一作者，翟天佑教授、馬穎教授和諸葛福偉副教授為通訊作者，集成電路學院繆向水教授和何毓輝教授等共同參與該項研究工作。本研究工作得到了國家自然科學基金（21825103、U21A2069）及科技部重點研發計劃（2021YFA1200500）等項目的資助。