隨著人工智能、高性能計(jì)算等應(yīng)用快速發(fā)展，信息存儲(chǔ)技術(shù)正不斷向更高密度、更低功耗的方向演進(jìn)。而在眾多前沿存儲(chǔ)技術(shù)中，單電子存儲(chǔ)器（Single-electron Memory）被認(rèn)為是未來(lái)信息存儲(chǔ)的終極形態(tài)之一，其理論上能夠利用單個(gè)電子完成信息存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)極限尺度的數(shù)據(jù)記錄。
不過(guò)，單電子存儲(chǔ)長(zhǎng)期停留在理論層面。原因在于，當(dāng)器件尺寸不斷縮小時(shí)，柵極與溝道之間的邊緣電容（Fringing Capacitance）反而會(huì)迅速增強(qiáng)，使單電子帶來(lái)的電學(xué)信號(hào)被嚴(yán)重削弱，導(dǎo)致量子存儲(chǔ)狀態(tài)難以在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定觀測(cè)，尤其是在室溫條件下實(shí)現(xiàn)更具挑戰(zhàn)性。
近日，復(fù)旦大學(xué)周鵬教授、劉春森青年研究員團(tuán)隊(duì)在《Science》發(fā)表題為《Robust single-electron memory with quantum states manipulation》的研究論文，提出了一種基于共面漏-溝道-源（DCS）結(jié)構(gòu)的二維單電子存儲(chǔ)器，成功解決了邊緣電容帶來(lái)的限制，在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單電子非易失存儲(chǔ)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一量子態(tài)的精準(zhǔn)操控，為新一代量子存儲(chǔ)器的發(fā)展提供了新的技術(shù)路線。
研究團(tuán)隊(duì)首先分析了傳統(tǒng)單電子存儲(chǔ)器難以實(shí)現(xiàn)的重要原因。理論上，理想的單電子存儲(chǔ)器在不同電極之間不存在寄生電容，因此每增加或減少一個(gè)電子，都能夠帶來(lái)明顯且可區(qū)分的閾值電壓變化（ΔVth）。
然而，在傳統(tǒng)硅基器件中，由于溝道具有一定厚度，柵極與溝道側(cè)壁之間不可避免地產(chǎn)生邊緣電容。這部分寄生電容會(huì)分擔(dān)電荷變化，使單電子產(chǎn)生的電壓變化大幅減弱，并且隨著器件尺寸進(jìn)一步縮小，這種影響反而更加明顯。
研究表明，僅依靠縮小器件尺寸并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的單電子存儲(chǔ)，溝道厚度才是決定邊緣電容大小的關(guān)鍵因素。
基于這一認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)選擇厚度不足1 nm的二維材料作為溝道，并設(shè)計(jì)了全新的共面DCS（Drain-Channel-Source）結(jié)構(gòu)，結(jié)合邊緣接觸方式，有效消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的寄生電容，使邊緣電容貢獻(xiàn)降低至約2.4%。
整個(gè)器件采用石墨烯溝道，底部hBN進(jìn)行封裝，頂部hBN作為隧穿層，Al?O?作為阻擋層，共同構(gòu)建出適用于室溫量子存儲(chǔ)的新型二維存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。
在新結(jié)構(gòu)下，研究團(tuán)隊(duì)成功觀測(cè)到單電子存儲(chǔ)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每向存儲(chǔ)層注入或移除一個(gè)電子，器件閾值電壓都會(huì)發(fā)生約0.5 V的量子化漂移（ΔVth），形成清晰、穩(wěn)定且可區(qū)分的多個(gè)量子存儲(chǔ)狀態(tài)。
與此同時(shí)，相鄰量子態(tài)對(duì)應(yīng)的編程電壓間隔也呈現(xiàn)出一致的量子化步長(zhǎng)，表明器件已經(jīng)能夠按照單電子為單位完成信息寫(xiě)入與擦除。
相比此前報(bào)道的室溫單電子存儲(chǔ)器，該器件實(shí)現(xiàn)了目前較大的閾值電壓量子變化，使量子態(tài)更加容易識(shí)別，也為實(shí)際應(yīng)用提供了更高的可靠性。
除了能夠穩(wěn)定記錄單電子狀態(tài)外，該器件還表現(xiàn)出優(yōu)異的非易失特性。研究發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下，當(dāng)編程脈沖持續(xù)時(shí)間由20 ns增加至90 ns時(shí)，器件閾值電壓幾乎保持不變，表現(xiàn)出一種不同于傳統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器的自限幅量子編程特性。
傳統(tǒng)閃存中，編程時(shí)間越長(zhǎng)，寫(xiě)入電荷越多，閾值電壓也會(huì)持續(xù)增加；而該二維單電子存儲(chǔ)器則由量子化過(guò)程決定，每次僅對(duì)應(yīng)單電子躍遷，因此幾乎不受脈沖時(shí)間影響。
此外，不同量子存儲(chǔ)狀態(tài)在室溫下經(jīng)過(guò)5000秒后仍保持穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯衰減，證明器件具有良好的非易失數(shù)據(jù)保持能力。
除了實(shí)現(xiàn)單電子存儲(chǔ)之外，本研究另一項(xiàng)重要突破，是提出了全新的DOS-scissors（態(tài)密度剪刀）理論。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用石墨烯構(gòu)建了雙狄拉克（Dual-Dirac）結(jié)構(gòu)。由于石墨烯具有特殊的電子能帶，其費(fèi)米能級(jí)可以被調(diào)節(jié)至零態(tài)密度（DOS=0）區(qū)域。
當(dāng)費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入這一特殊區(qū)域后，材料中幾乎不存在可參與隧穿的電子，因此原本應(yīng)該發(fā)生的電子躍遷被直接阻斷，對(duì)應(yīng)的量子存儲(chǔ)狀態(tài)也隨之"消失"。
實(shí)驗(yàn)中，這種現(xiàn)象表現(xiàn)為相鄰量子態(tài)之間突然出現(xiàn)約±2 V的異常編程電壓間隔。只有繼續(xù)提高編程電壓，使費(fèi)米能級(jí)跨越零態(tài)密度區(qū)域后，電子才能再次發(fā)生隧穿，進(jìn)入下一量子態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)將這一機(jī)制命名為"態(tài)密度剪刀（DOS-scissors）"，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定量子態(tài)的主動(dòng)"剪除"和精準(zhǔn)調(diào)控，為未來(lái)量子信息存儲(chǔ)提供了新的控制方法。
總體來(lái)看，該研究將二維材料超薄特性與創(chuàng)新的共面DCS結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效解決了長(zhǎng)期困擾單電子存儲(chǔ)研究的邊緣電容問(wèn)題，在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、非易失、可區(qū)分的單電子存儲(chǔ)。
更重要的是，團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了DOS-scissors理論，實(shí)現(xiàn)了單一量子態(tài)的精準(zhǔn)操控，進(jìn)一步拓展了單電子存儲(chǔ)器的研究邊界。
研究人員認(rèn)為，這一技術(shù)框架不僅適用于石墨烯體系，未來(lái)還可推廣至具有可設(shè)計(jì)零態(tài)密度區(qū)域的二維半導(dǎo)體及其他新型材料，通過(guò)對(duì)量子態(tài)進(jìn)行有選擇性的調(diào)控，為超高密度存儲(chǔ)、低功耗信息處理以及未來(lái)量子信息器件的發(fā)展提供新的技術(shù)路徑。
參考信息：本文部分素材和圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息，本平臺(tái)發(fā)布僅為了傳達(dá)一種不同觀點(diǎn)，不代表對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持。如果有任何問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系 19045661526（同微信）。
