創(chuàng)新現(xiàn)有存儲(chǔ)架構(gòu)，跑進(jìn)亞納秒級速度大關(guān)

在AI與大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，信息存儲(chǔ)速度成為制約技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器中，易失性存儲(chǔ)器（如SRAM）雖具備納米級高速存儲(chǔ)能力，卻受限于容量小、功耗大、成本高、斷電后數(shù)據(jù)丟失等缺陷；而非易失性存儲(chǔ)器（如閃存）雖解決了這些問題，存取速度卻停滯在百微秒級，較前者慢十萬倍。如何讓閃存“跑"進(jìn)亞納秒時(shí)代，成為全球科研的焦點(diǎn)。

浮柵晶體管作為閃存的基本存儲(chǔ)單元，由源極、漏極和柵極構(gòu)成，當(dāng)電子從源極順著溝道跑到漏極的過程中，按下柵極這一“開關(guān)"，電子便可以被拽入浮柵儲(chǔ)存層，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。傳統(tǒng)理論機(jī)制下，電子“助跑"距離長，提速慢，半導(dǎo)體特殊的電場分布也決定了電子加速存在理論上限，導(dǎo)致閃存存儲(chǔ)速度無法突破注入極值點(diǎn)。

今年4月，復(fù)旦大學(xué)集成電路團(tuán)隊(duì)周鵬-劉春森教授課題組提出一條全新的提速思路——二維增強(qiáng)熱載流子注入（2D-HCI）——結(jié)合二維狄拉克能帶結(jié)構(gòu)和彈道輸運(yùn)特點(diǎn)，調(diào)制二維溝道的高斯長度，從而實(shí)現(xiàn)溝道電荷向浮柵儲(chǔ)存層的超注入。在該機(jī)制下，電子無需助跑就可以直接提速至高速，而且可以無限注入，不再受注入極值點(diǎn)的限制。

根據(jù)該模型研制的閃存器件擦寫速度闖過亞1ns大關(guān)（400皮秒），相當(dāng)于每秒可執(zhí)行25億次操作，性能甚至超越同技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的shìjiè zuì快SRAM技術(shù)。在此速度之下，器件的寫入/擦除循環(huán)壽命超過550萬次，滿足非易失存儲(chǔ)器商業(yè)化的核心指標(biāo)之一，按照實(shí)驗(yàn)外推結(jié)果，保存年限可達(dá)10年以上。

相關(guān)成果以《亞納秒超注入閃存》（Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection）為題，發(fā)表于《自然》（Nature）期刊。

圖1.半導(dǎo)體晶體管和狄拉克晶體管的不同熱載流子注入行為。所有二維材料晶體管都表現(xiàn)出比硅晶體管更高的注入電流。狄拉克晶體管電子和空穴都可以被有效加速，而且沒有最大值。

圖2. 通過溝道厚度調(diào)制的水平電場Ey分布效應(yīng)實(shí)現(xiàn)二維增強(qiáng)熱載流子注入機(jī)制?？梢杂^察到，即使在較低的V_DS下，二維晶體管的注入電流也比硅晶體管大幾個(gè)數(shù)量級。此外，二維晶體管的溝道加速效率遠(yuǎn)高于硅晶體管。

圖3. 亞納秒級閃存的存儲(chǔ)性能。為實(shí)現(xiàn)低于1ns的測量精度，GSG射頻探針被采用，其中信號連接至柵極和漏jíduān口，而接地則連接至源jíduān口。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)400ps便可實(shí)現(xiàn)較大的存儲(chǔ)器窗口。

圖4. 電荷基存儲(chǔ)器的編程電壓和速度的對比。亞納秒閃存（0.2-0.8 μm）與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM（0.18-1μm）、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM（0.13-1μm）對比表明，非易失性閃存在速度指標(biāo)上已超越易失性存儲(chǔ)器。

Lake Shore探針臺(tái)，助力超快閃存研究新突破

在這一突破性研究中，Lake Shore探針臺(tái)作為核心測量設(shè)備，為器件的超快電學(xué)性能表征提供了重要的技術(shù)支撐。

圖5. Lake Shore探針臺(tái)CRX-VF

Lake Shore探針臺(tái)的關(guān)鍵作用

• 穩(wěn)定高真空變溫環(huán)境
  設(shè)備提供穩(wěn)定的高真空(<10?? mbar)測試環(huán)境，72小時(shí)連續(xù)工作真空度波動(dòng)<5%，確保二維材料器件在無外界擾動(dòng)條件下完成載流子輸運(yùn)特性分析，為理論模型的建立提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

• 兼容高精度高頻電學(xué)測量

結(jié)合Keysight B1500A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和團(tuán)隊(duì)自制高速測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)400ps編程脈沖的精確施加和響應(yīng)采集（Tektronix DPO 5204），成功捕捉到二維材料中熱載流子的亞納秒級超快注入行為。

• 靈活多樣的可適配探針系統(tǒng)
  傳統(tǒng)探針臺(tái)高頻測試可能會(huì)因阻抗失配、線路信號反射等因素導(dǎo)致亞納秒脈沖信號失真>20%，Lake Shore 標(biāo)準(zhǔn)微操縱探針臂及配件產(chǎn)品線齊全，可滿足各類科研需求，兼容直流、射頻、微波及光學(xué)探測等特殊應(yīng)用場景。

• GSG微波探針

高頻測試需要特殊的接地設(shè)計(jì)來抑制電磁干擾，本文亞納秒級脈沖測量采用定制設(shè)計(jì)的GSG（地-信號-地）探針結(jié)構(gòu)，以最小化寄生電容。Lake Shore提供可選配GSG微波探針，用戶可自定義間距。

Lake Shore探針臺(tái)系列應(yīng)用前景

Lake Shore中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)表示："我們很高興看到CRX系列探針臺(tái)能支持如此重要的基礎(chǔ)研究突破。未來將繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品，為中國科研工作者提供更強(qiáng)大的測試工具。"

Lake Shore始終致力于為科研與工業(yè)界提供高性能測試解決方案。其探針臺(tái)產(chǎn)品以超卓的溫控精度和模塊化設(shè)計(jì)，助力前沿材料與器件研究。

應(yīng)用前景包括但不限于：

前沿材料研究

• 量子材料：超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣體的低溫輸運(yùn)特性。

• 二維材料：石墨烯、過渡金屬硫族化合物的電學(xué)和光學(xué)表征。

• 有機(jī)電子學(xué)：柔性器件在可控環(huán)境下的穩(wěn)定性測試。

半導(dǎo)體工業(yè)

• 先進(jìn)制程開發(fā)：3 nm以下節(jié)點(diǎn)的晶圓級參數(shù)測試（如FinFET漏電流分析）。

• 寬禁帶半導(dǎo)體：GaN、SiC器件的高溫/高場可靠性驗(yàn)證。

• 更高頻率與集成度：擴(kuò)展至THz波段，兼容量子計(jì)算芯片的微波讀出

光電子與微波器件

• 太赫茲器件：片上探針支持67 GHz高頻測量。

• 光電探測器：結(jié)合光纖探針實(shí)現(xiàn)光電流譜分析。

定制化解決方案

• 特殊配置案例：如集成光譜儀（與CRAIC合作）或真空互聯(lián)沉積系統(tǒng)，滿足多步驟實(shí)驗(yàn)需求。