Adv. Funct. Mater.：通过局域场调制将范德华异质结半浮栅存储器的刷新时间提高535%

研究背景

集成电路产业在现代信息社会的发展中起着重要作用。作为该领域必不可少的技术之一，存储技术在大数据时代面临着前所未有的挑战。处理器和内存之间存在信息处理速度的差异，这种差异被称为“存储墙”，限制了计算机的发展。然而，现有的存储器难以同时实现高速、大容量和非易失性。如何基于新原理、新材料和新结构开发低功耗、超高速和非易失性存储器，以突破“存储墙”的局限性已成为一个关键的科学问题。

最近，基于范德华异质结的准非易失性半浮栅（SFG）存储器已有报道，它的写入速度和数据保留能力填补了易失性和非易失性存储器之间的空白，创造了第三种类型的存储技术。p-n结的引入带来了超快的写入速度，但是却引起了一个问题：由于电荷泄漏的存在，数据刷新时间（10 s）不够长，这显然不足以降低由于频繁刷新而导致的功耗。原则上，打破刷新时间的瓶颈并在保持超快写入速度的同时降低功耗仍然是一项艰巨的挑战。鉴于二维材料在通过外部条件调制电学特性方面具有许多独特的优势，可以在一定的外部条件下减少p-n结的电荷泄漏。在铁电材料中，存在自发极化，并且极化状态可以通过外部电场改变。应当注意的是，极化的局域场是非易失性的，这使其成为解决p-n结泄漏问题的绝佳选择。通过将非易失性局域场及其对2D材料的调制应用于SFG存储器中，具有持续改善高速SFG存储器刷新时间以优化功耗的巨大潜力。

成果介绍

有鉴于此，近日，复旦大学周鹏教授、刘春森博士以及中国科学院微电子研究所刘琦研究员（共同通讯作者）合作报道了通过利用铁电栅极电介质HfZrO₄的极化来引入局部非易失性电场，调节p-n结的电荷泄漏速度，进而有效地调控2D材料的载流子密度，将范德华异质结半浮栅存储器的刷新时间大大延长了超过535％，解决了先前半浮栅存储器保留时间相对较短的瓶颈问题。此外，还探讨了低工作电压下的器件特性，可进一步降低器件功耗。这种设计实现了超快写入操作与强数据保留能力的结合，为高速非易失性存储技术的开发提供了新思路。文章以“A Semi-Floating Memory with 535% Enhancement of Refresh Time by Local Field Modulation”为题发表在著名期刊Advanced Functional Materials上。

图文导读

图1. 基于局域场调制的SFG存储器的示意图和特性。（a）器件的3D示意结构，其中WSe₂，hBN和HfS₂分别用作沟道，阻挡层和浮栅，MoS₂用于与WSe₂形成p-n结。（b）器件结构的伪色SEM图像。（c）扫描电压分别为±3，±4和±5V时，10 nm厚HZO介电层在1 kHz下的极化电滞回线。（d）存储器的复扫转移特性，电压扫描范围为-2至2 V和2至-2 V，V_DS固定为0.1 V。在V_G=1 V时，状态-1与状态-0之比超过10³。

图1a展示了具有铁电栅极电介质的SFG器件的结构：WSe₂用作沟道材料，MoS₂用于与WSe₂形成p-n结，而hBN用作阻挡层以减弱电流泄漏，HfS₂用作浮栅和俘获层，先前的栅极电介质Al₂O₃被10 nm铁电HZO替代，以形成极化局部场。图1b显示了该器件的伪色SEM图像。图1c展示了从3 V至5 V的不同最大电压下的铁电电滞回线，其中正向和反向电压以1 kHz频率扫描。结果表明，实验中使用的HZO具有铁电性，施加电压脉冲后，HZO中可以形成剩余极化，在3-5 V的范围内，施加的电压脉冲越大，形成的剩余极化场就越大。当漏-源电压（V_DS）固定为0.1 V时，将栅压从-2 V扫描到2 V，再从2 V扫描到-2 V，可以在图1d获得器件的复扫转移特性。可以发现一个明显的存储窗口，从中可以确定读取条件为V_G=1 V和V_DS=0.1 V，其中可编程电流状态（“on”状态）和可擦除状态（“off”状态）之比超过10³。

图2. 基于局域场调制的SFG存储器的超快写入操作和擦除操作。（a）初始状态为状态-0，施加脉冲为20 ns的-5 V电压进行写入操作。之后，以V_G=1 V和V_DS=0.1 V进行读取操作。插图是示波器测量的信号传输后的实际信号，40 ns的电压脉冲可以成功执行写入-1。（b）在施加用于写入-1的负电压脉冲后，初始状态为状态-1。施加脉冲为10 ms的+5 V电压进行擦除操作，随后进行读取操作，其中V_G=1 V，V_DS=0.1 V。

图2展示了超快写入操作和擦除操作，分别通过负脉冲和正脉冲将设备设置为状态-1和状态-0。如图2a所示，使用20 ns的电压脉冲执行写入操作，器件的初始状态为状态-0，然后将20 ns的-5 V栅压脉冲施加到写入状态-1操作。应当注意的是，实际电压信号为-4.2 V，全宽为40 ns，是最大值的一半（如图2a中的插图所示）。随后，将V_G设置为1 V，将V_DS设置为0.1 V，以执行读取操作。当施加短的负栅压脉冲时，由WSe₂和MoS₂形成的p-n结导通，因此，电子从浮栅迅速转移到沟道，并且浮栅中捕获的空穴导致阈值电压向左移动。同时，HZO极化，留下残余的极化场，即使去除了写入脉冲，该极化场也可以持久地协助电荷转移过程。当去除负脉冲时，p-n结被关闭，保留在浮栅中的空穴改变了沟道电流状态。在读取过程中检测到约100 pA的沟道电流，表明该器件已设置为状态-1。二维SFG存储器的超快写入操作能力归因于p-n结的飞秒级超快电荷转移速度。

如图2b所示，在稳定的漏-源电压为0.1 V的情况下，向栅极施加10 ms的正电压脉冲后，沟道电流被设置为状态-0，这表明可以将电流擦除至正电压宽度小于10 ms的状态-0。嵌入式p-n结的不对称结构引起了写入和擦除速度的不对称。与器件的超快写入速度取决于p-n结的飞秒级电荷转移速度不同，擦除操作是通过电子隧穿过程进行的，隧穿的速度约为毫秒，这导致擦除操作的速度相对较低。

图3. 局域场调制存储器在不同写入脉冲下的数据保留能力。（a-c）当栅极脉冲电压分别为-5，-4和-3 V时，在不同脉冲宽度的写入操作下，器件的保留特性。基准状态-0为1 pA，定义为在宽脉冲电压下进行擦除操作后的电流。在V_G=1 V和V_DS=0.1 V的情况下测量沟道电流。（d）在不同的工作电压下，存储器的衰减特性以及使用指数函数拟合的结果。（e）在不同写入速度下，有无局域场调制器件的数据保留能力比较。

为了进一步研究铁电局域场调制对器件存储性能的影响，对栅极施加了不同的写入电压脉冲，在V_G=1 V和V_DS=0.1 V时测量沟道电流与时间的关系。如图3a所示，写入电压的脉冲宽度从500 ms减小到40 ns。去除电压脉冲后，由于p-n结导致的电荷泄漏，沟道电流随时间衰减。在宽脉冲电压下进行擦除操作后的电流约为1 pA，定义为状态-0。经过40 ns的-5 V写入电压脉冲后，沟道电流在63.5 s时约为10 pA，仍与状态0充分区分（状态-1与状态-0之比约为10），表明数据刷新时间显著增加到63.5 s。与没有局域场调制（10 s）的SFG存储器相比，刷新时间延长了535％。

此外，还可以通过将写入电压脉冲分别从-5 V降至-4 V和-3 V来探索较低工作电压下的器件性能，如图3b和c所示。在-4 V电压下，器件的刷新时间为18 s，与之前的存储器相比刷新时间提高了80％，并且该器件即使在-3 V电压下仍能正常工作。由于降低工作电压意味着更低的功率，因此在-4 V和-3 V下的器件性能预示着存储器具有进一步降低功耗的潜力。图3d给出了在40 ns脉冲宽度的不同工作电压下数据保留能力的比较，每个参数的拟合结果与剩余极化值有关，剩余极化的增加会导致较大的I₀。I₀与状态-0 的载流子密度n₀有关，而n₀的变化是由费米能级的移动引起的，费米能级的移动依赖于剩余极化对沟道的调制。因此，如图3d所示，更大的I₀意味着剩余极化的调制效果增强，这证明了局域场的存在确实有助于调制沟道电流的状态。为了更直观地展示局域场调制对器件保留时间的影响，图3e给出了在有无局域场的情况下，沟道电流从写入-1操作后的初始状态下降到10 pA的经过时间比较。与无局域场调制的器件相比，在不同写入速度下，有局域场调制的器件具有显著提高的数据保留能力（保留时间增加了大约200％-500％）。

图4. 有无局域场调制的SFG存储器的机制比较。（a）HZO电介质极化后，p-n结的能带图变化。（b）有无局域场调制的电流比I_on/I_off的比较。（c&d）在写入和读取操作期间，p-n结中的电荷流动。泄漏的电子将与俘获层中的空穴重新结合，在具有HZO电介质的器件中，电荷注入得到增强，并且电荷泄漏得到抑制。

借助非易失性局域场，数据刷新时间提高了535％，而超快速写入功能仍可与以前的SFG存储器相提并论。这些机制可以通过图4所示的能带图来说明。图4a给出了在铁电局域场作用下，p-n结电荷势垒高度变化的能带图。当控制栅极施加负电压脉冲时，WSe₂/MoS₂形成的p-n结导通，由于其开关速度在飞秒量级内，因此导致超快的写入速度（在纳秒级）。同时，铁电层HZO被极化，在p-n结的一侧附近积累负电荷，而在另一侧积累正电荷，这可以等同于栅压增加，即p-n结的正向偏置会增加。因此，电荷势垒明显降低，电子更容易越过势垒，从而提高了导通电流I_on。当去除负电压脉冲时，局域电场仍然存在，并可能产生新的电子-空穴对。由于该电场的作用，一些电子再次流入沟道并且空穴保留在俘获层中，阻碍电子-空穴对复合，从而抑制了电荷泄漏并产生了较小的截止电流I_off。因此，pn结的电流比I_on/I_off增加，如图4b所示。

图4c和d分别给出了当介电层分别为HZO和Al₂O₃时，在写入和读取操作期间的电荷流动。如图4c所示，由于局域场的作用，电荷注入得到增强，浮栅中捕获的空穴变得更多，并对沟道电流产生更强烈的调制。此外，由极化HZO形成的局域场是非易失性的，这意味着在去除栅压脉冲后它不会消失。在读取过程中，由于表面上积累的电荷，非易失性局域电场仍可能产生类似于负栅压的连续影响，这等效于向栅极施加连续的写入电压。电荷的流动是双向的（图4c），不同于Al₂O₃电介质（图4d）。值得注意的是，增加的存储空穴将反过来补偿HZO中的极化电荷，并减弱局域电场对沟道材料的影响，器件最终在空穴注入和电荷补偿效应之间形成动态平衡。由于局域电场可以将电子重新注入到沟道中，并在俘获层中留下可能会改变沟道状态的空穴，因此，尽管不可避免地会有电流泄漏，但是可以通过局域电场持续写入数据，这是延长刷新时间的关键因素。在图4d中，如果没有局域场的帮助，电荷泄漏就无法得到很好的抑制，会导致较大的漏电流，从而缩短了刷新时间。

总结与展望

本文基于SFG结构，通过引入铁电材料作为栅极电介质，展示了具有长数据保留时间的超快速准非易失性存储器。残余极化场将电荷限制在浮栅中，从而突破了由电荷泄漏引起的刷新时间限制。继承了高速操作的优势，写入速度可以达到40 ns，同时刷新时间大大延长了535％以上。这种创新结构不仅保留了SFG结构的超快写入速度特性，而且还结合了通过非易失性本地场调制延长刷新时间的优势，降低了刷新操作的功耗。非易失性局域场辅助的SFG存储技术有望成为开发用于集成电路的超快速和低功耗存储器件的新方法。

文献信息

A Semi‐Floating Memory with 535% Enhancement of Refresh Time by Local Field Modulation (Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908089)

文献链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908089

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