日前，世界最快快閃記憶體問世。它由復旦大學教授周鵬教授–劉春森研究員團隊打造，寫入僅需 400 皮秒，一舉跑進亞納秒級速度大關，打破了現有儲存速度的理論極限，讓現有儲存架構得以被顛覆，為快閃記憶體效能樹立了新標杆，相關論文已於近日發表在 Nature。
（來源：資料圖）
具體來說，該團隊開發出一款名為“破曉”（PoX，Phase-change Oxide）的皮秒快閃記憶體器件，擦寫速度達到亞 1 納秒（400 皮秒），相當於每秒可執行 25 億次操作，大幅超越之前每秒 200 萬次操作的世界紀錄，也超越了同技術節點下全球最快的易失性儲存靜態隨機存取儲存器技術，故是目前全世界最快的半導體電荷儲存技術。
“破曉”即使在工作 60000 秒之後仍能保持穩定。針對閾值電壓進行的線性外推表明，在室溫下放置 10 年後，“破曉”仍然具有較大的儲存視窗。
皮秒級記憶體，指的是能夠在千分之一納秒或萬億分之一秒內讀寫資料的記憶體。由於“破曉”是一種非易失性儲存器，因此它在空閒狀態之下無需供電即可保留資料。
在 AI 大模型如火如荼的當下，“破曉”能夠起到一定的“及時雨”作用。它兼具極低能耗和超快皮秒級寫入速度，有望消除 AI 硬體中長期存在的記憶體瓶頸問題。
當前，AI 硬體中的大部分能耗都消耗在資料傳輸而非消耗在資料處理上。而本次研究團隊徹底重構了快閃記憶體的結構，他們並沒有使用傳統的矽材料，而是採用了二維狄拉克石墨烯，這種材料能讓電荷快速地自由移動。
研究中，他們透過調整儲存器通道的高斯長度，提出一種名為二維增強型熱載流子注入的機制。
這使得電荷能以極快速度毫無限制地流入到儲存器的儲存層，從而能夠有效規避傳統儲存器所面臨的速度限制。
研究中，課題組還透過使用 AI 演算法來最佳化工藝測試條件，目前流片驗證已經完成，並已成功造出小規模的晶片。
總的來說，本次成果提供了一種在快閃記憶體中實現亞納秒級程式設計速度的機制，為開發高速非易失性儲存技術開闢了道路。這一突破標誌著快閃記憶體裝置首次能在低於 1 納秒程式設計速度閾值的情況下可靠執行，為超高速資料儲存技術開闢了新道路。
據復旦大學介紹，研究團隊計劃在 3-5 年將其整合到幾十兆的水平，屆時可授權給企業進行產業化。與此同時，他們計劃將其整合到智慧手機和計算機之中，未來當在手機和電腦上部署本地模型時，將不再會遇到此前儲存技術面臨的延遲和發熱等問題。
提出重要機制，同時支援電子注入和空穴注入
如前所述，這是一種基於二維增強型熱載流子注入機制的二維狄拉克石墨烯通道快閃記憶體，而這一機制同時支援電子注入和空穴注入。
狄拉克通道快閃記憶體具有 400 皮秒的程式設計速度、非易失性儲存以及超過 5.5×10^6 次迴圈的穩健耐久性。
研究中，課題組所使用的薄體溝道能夠最佳化水平電場（Ey，Electric Field）分佈。其還發現，作為一種二維半導體二硒化鎢具有二維增強的熱空穴注入特性，但注入行為有所不同。
在相同溝道長度之下，非易失性快閃記憶體的速度能夠超過最快的易失性靜態隨機存取儲存器。
研究中，該團隊還發現一種由溝道厚度調控的水平電場分佈效應，該效應透過利用二維材料的原子級薄特性，能夠有效提高水平電場的最大值，並能促進二維增強型熱載流子注入。
實驗中，他們觀察到二維材料中的注入電流，比矽材料系統中的注入電流高几個數量級。
此外，他們在二維狄拉克材料石墨烯和二維半導體二硒化鎢上還觀察到了不同的注入行為。
利用二維增強型熱載流子注入機制，該團隊開發了具有不同溝道長度的亞納秒級快閃記憶體，並發現隨著器件尺寸的縮小，注入效率也能得到提高。
並不侷限於單一的材料系統
前面提到，研究人員利用二維增強型熱載流子注入機制，讓快閃記憶體突破了速度瓶頸。
石墨烯中熱電子與熱空穴通道的同步加速現象，使其成為展示快閃記憶體中該機制卓越效能的理想材料。
研究團隊基於六方氮化硼（hBN）/二氧化鉿（HfO2）/氧化鋁（Al2O3）儲存堆疊結構，成功製備了石墨烯快閃記憶體。
為了實現亞納秒級的測量，他們使用了具有“地–訊號–地”（GSG，ground–signal–ground）結構的射頻探頭，其中訊號連線到柵極端子和漏極端子，接地則連線至源極。
（來源：Nature）
兩個 GSG 探針透過校準基板進行短路，以便確保高速測試系統能夠顯示低於 1 納秒的程式設計電壓波形。
在二維快閃記憶體的結構上，透過操縱柵極程式設計脈衝和漏極程式設計脈衝，讓載流子可以透過六方氮化硼層注入到二氧化鉿層中。
下圖展示了一個雙層石墨烯器件的透射電子顯微鏡影像，該影像表明研究人員在異質結構中實現了原子級平整的介面。
（來源：Nature）
下圖展示了採用二維增強型熱載流子注入機制的快閃記憶體效能，其程式設計速度可突破 1 納秒的瓶頸。
（來源：Nature）
透過施加脈衝，讓溝道中的電子可以透過溝道加速快速獲得足夠能量，從而注入二氧化鉿電荷捕獲層。
由於薄體通道實現了極高的注入效率，因此有足夠的儲存電子來生成一個較大的非易失性儲存視窗。
研究人員所施加的 VPROG 程式設計脈衝寬度穩定保持 400 皮秒，經三次重複測試均呈現一致的瞬態響應特性。
在論文中，他們還展示了儲存器視窗與程式設計速度之間的關聯特性。當程式設計脈衝寬度從 1 納秒縮減至 400 皮秒時，儲存器視窗相應地從 1.8 伏特減小到 0.78 伏特。
透過利用二維增強型熱電子和熱空穴注入，石墨烯快閃記憶體可以實現亞納秒級別的雙向閾值電壓偏移。
研究團隊還證明：基於二維增強型熱空穴注入機制，二硫化鎢快閃記憶體具有高達 1 納秒的程式設計速度，且開/關比約為 10^3。
圖 | 該圖證實了快閃記憶體裝置的非易失性資料保留能力（來源：Nature）
與此同時，研究人員在室溫下評估了兩種狀態的穩定性。他們在不同時間間隔之中測量轉移曲線，並提取電子和空穴捕獲後的閾值電壓保持率。
下圖展示了“破曉”的強大耐久性。經過一系列的程式設計迴圈之後，該裝置可在兩種狀態之間反覆切換，並在 5.5×10^6 次迴圈內正常工作。
（來源：Nature）
這種穩健的耐久性特性得益於低程式設計電壓和短累積應力時間，體現了二維增強型熱載流子注入機制的先進性。
與此同時，二維增強型熱載流子注入機制可以與更加廣泛的二維材料相容，包括像石墨烯這樣的狄拉克材料以及過渡金屬硫族化合物等二維半導體。
這表明本次方法並不侷限於單一的材料系統，也能在不同的原子尺度平臺上進行最佳化和調整，故能助力解決半導體器件工程中擴充套件定律所面臨的既有約束。
有望重塑全球數字儲存技術的格局
總的來說，基於二維材料的原子厚度，本次課題組發現了通道厚度調製的外延分佈效應，該效應可用於提高載流子加速效率，並實現二維增強型熱載流子注入機制。
他們進一步構建了二維石墨烯快閃記憶體器件“破曉”，並驗證了二維增強型熱載流子注入機制能夠實現 400 皮秒的程式設計速度，從而突破了非易失性儲存器亞納秒程式設計速度的瓶頸。
該機制具有穩健的耐用性，既支援二維狄拉克材料，也支援二維半導體，這表明二維增強型熱載流子注入機制的可靠性。
這讓研究人員得以利用二維材料的獨特特性，打破了快閃記憶體裝置長期存在的速度障礙。透過利用二維結構原子級別的厚度，其展示了二維增強熱載流子注入的新機制，藉此有效實現了數百皮秒量級的程式設計速度，並透過精細調控溝道厚度來調整電場分佈，揭示了量子限制系統如何顯著改變載流子行為。
當前，人們對於快速資料訪問和高吞吐量儲存的需求將持續攀升。隨著 AI、大資料分析和增強現實技術推動的工作負載日益繁重，對快速、可靠且節能的非易失性儲存技術的需求從未如此迫切。
而實現亞納秒級程式設計速度所帶來的影響，預計將深遠地延伸至計算領域的未來。從根本上說，這項工作在原子尺度上為熱載流子動力學提供了新的理解。透過二維增強熱載流子注入成功實現亞納秒級快閃記憶體程式設計，帶來了具有變革潛力的正規化轉變。
研究團隊利用二維材料的非凡特性，將基礎物理學與實用器件工程相結合，預示著超快速、穩健且可擴充套件的儲存器件新時代的到來，因此“破曉”或許有望重塑全球數字儲存技術的格局。
未來，透過使用高質量的化學氣相沉積材料和大規模整合工藝，他們將進一步提高器件的均勻性，以便為實際應用鋪平道路。預計透過縮短通道長度，“破曉”的效能將得到進一步提升。
參考資料：
1.Xiang, Y., Wang, C., Liu, C. et al. Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection. Nature (2025).https://doi.org/10.1038/s41586-025-08839-w
https://mp.weixin.qq.com/s/ytknNI0xrOtik6eFdNWoGw?poc_token=HO2WBGijA_CHwA59KdQSrSoROtDVRbJglKsDG81A
排版：溪樹