Lake Shore探针台：赋能亚纳秒级闪存研究，登顶《Nature》！
发布日期：2025-07-28
颠覆现有存储架构，跑进亚纳秒级速度大关
在AI与大数据驱动的时代，信息存储速度成为制约技术发展的关键瓶颈。传统存储器中，易失性存储器（如SRAM）虽具备纳米级高速存储能力，却受限于容量小、功耗大、成本高、断电后数据丢失等缺陷；而非易失性存储器（如闪存）虽解决了这些问题，存取速度却停滞在百微秒级，较前者慢十万倍。如何让闪存“跑”进亚纳秒时代，成为全球科研的焦点。
浮栅晶体管作为闪存的基本存储单元，由源极、漏极和栅极构成，当电子从源极顺着沟道跑到漏极的过程中，按下栅极这一“开关”，电子便可以被拽入浮栅储存层，实现信息存储。传统理论机制下，电子“助跑”距离长，提速慢，半导体特殊的电场分布也决定了电子加速存在理论上限，导致闪存存储速度无法突破注入极值点。
今年4月，复旦大学集成电路团队周鹏-刘春森教授课题组提出一条全新的提速思路——二维增强热载流子注入（2D-HCI）——结合二维狄拉克能带结构和弹道输运特点，调制二维沟道的高斯长度，从而实现沟道电荷向浮栅储存层的超注入。在该机制下，电子无需助跑就可以直接提速至高速，而且可以无限注入，不再受注入极值点的限制。
根据该模型研制的闪存器件擦写速度闯过亚1ns大关（400皮秒），相当于每秒可执行25亿次操作，性能甚至超越同技术节点下的世界最快SRAM技术。在此速度之下，器件的写入/擦除循环寿命超过550万次，满足非易失存储器商业化的核心指标之一，按照实验外推结果，保存年限可达10年以上。
相关成果以《亚纳秒超注入闪存》（Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection）为题，发表于《自然》（Nature）期刊。
图1.半导体晶体管和狄拉克晶体管的不同热载流子注入行为。所有二维材料晶体管都表现出比硅晶体管更高的注入电流。狄拉克晶体管电子和空穴都可以被有效加速，而且没有最大值。
图2. 通过沟道厚度调制的水平电场Ey分布效应实现二维增强热载流子注入机制。可以观察到，即使在较低的VDS下，二维晶体管的注入电流也比硅晶体管大几个数量级。此外，二维晶体管的沟道加速效率远高于硅晶体管。
图3. 亚纳秒级闪存的存储性能。为实现低于1ns的测量精度，GSG射频探针被采用，其中信号连接至栅极和漏极端口，而接地则连接至源极端口。实验发现400ps便可实现较大的存储器窗口。
图4. 电荷基存储器的编程电压和速度的对比。亚纳秒闪存（0.2-0.8 μm）与静态随机存储器SRAM（0.18-1μm）、动态随机存储器DRAM（0.13-1μm）对比表明，非易失性闪存在速度指标上已超越易失性存储器。
Lake Shore探针台，助力超快闪存研究新突破
在这一突破性研究中，Lake Shore探针台作为核心测量设备，为器件的超快电学性能表征提供了重要的技术支撑。
图5. Lake Shore探针台CRX-VF
Lake Shore探针台的关键作用
稳定高真空变温环境
设备提供稳定的高真空(<10⁻⁴ mbar)测试环境，72小时连续工作真空度波动<5%，确保二维材料器件在无外界扰动条件下完成载流子输运特性分析，为理论模型的建立提供实验依据。
兼容高精度高频电学测量
结合Keysight B1500A半导体参数分析仪和团队自制高速测试系统，实现400ps编程脉冲的精确施加和响应采集（Tektronix DPO 5204），成功捕捉到二维材料中热载流子的亚纳秒级超快注入行为。
灵活多样的可适配探针系统
传统探针台高频测试可能会因阻抗失配、线路信号反射等因素导致亚纳秒脉冲信号失真>20%，Lake Shore 标准微操纵探针臂及配件产品线齐全，可满足各类科研需求，兼容直流、射频、微波及光学探测等特殊应用场景。
GSG微波探针
高频测试需要特殊的接地设计来抑制电磁干扰，本文亚纳秒级脉冲测量采用定制设计的GSG（地-信号-地）探针结构，以最小化寄生电容。Lake Shore提供可选配GSG微波探针，用户可自定义间距。
Lake Shore探针台系列应用前景
Lake Shore中国区技术总监表示："我们很高兴看到CRX系列探针台能支持如此重要的基础研究突破。未来将继续优化产品，为中国科研工作者提供更强大的测试工具。"
作为低温测量技术的领导者，Lake Shore始终致力于为科研与工业界提供高性能测试解决方案。其探针台产品以超卓的温控精度和模块化设计，助力前沿材料与器件研究。
应用前景包括但不限于：
前沿材料研究
量子材料：超导体、拓扑绝缘体的低温输运特性。
二维材料：石墨烯、过渡金属硫族化合物的电学和光学表征。
有机电子学：柔性器件在可控环境下的稳定性测试。
半导体工业
先进制程开发：3 nm以下节点的晶圆级参数测试（如FinFET漏电流分析）。
宽禁带半导体：GaN、SiC器件的高温/高场可靠性验证。
更高频率与集成度：扩展至THz波段，兼容量子计算芯片的微波读出
光电子与微波器件
太赫兹器件：片上探针支持67 GHz高频测量。
光电探测器：结合光纤探针实现光电流谱分析。
定制化解决方案
特殊配置案例：如集成光谱仪（与CRAIC合作）或真空互联沉积系统，满足多步骤实验需求。
