The pursuit of non-volatile memory with program speeds below one nanosecond, beyond the capabilities of non-volatile flash and high-speed volatile static random-access memory, remains a longstanding challenge in the field of memory technology1. Utilizing fundamental physics innovation enabled by advanced materials, series of emerging memories2,3,4,5 are being developed to overcome the speed bottleneck of non-volatile memory. As the most extensively applied non-volatile memory, the speed of flash is limited by the low efficiency of the electric-field-assisted program, with reported speeds much slower than sub-one nanosecond. Here we report a two-dimensional Dirac graphene-channel flash memory based on a two-dimensional-enhanced hot-carrier-injection mechanism, supporting both electron and hole injection. The Dirac channel flash shows a program speed of 400 picoseconds, non-volatile storage and robust endurance over 5.5 × 106 cycles. Our results confirm that the thin-body channel can optimize the horizontal electric-field (Ey) distribution, and the improved Ey-assisted program efficiency increases the injection current to 60.4 pA μm−1 at |VDS| = 3.7 V. We also find that the two-dimensional semiconductor tungsten diselenide has two-dimensional-enhanced hot-hole injection, but with different injection behaviour. This work demonstrates that the speed of non-volatile flash memory can exceed that of the fastest volatile static random-access memory with the same channel length.
Das Streben nach nichtflüchtigen Speichern mit Programmiergeschwindigkeiten von weniger als einer Nanosekunde, die über die Möglichkeiten von nichtflüchtigen Flash-Speichern und flüchtigen statischen Hochgeschwindigkeitsspeichern mit wahlfreiem Zugriff hinausgehen, bleibt eine langjährige Herausforderung im Bereich der Speichertechnologie1. Unter Nutzung grundlegender physikalischer Innovationen, die durch fortschrittliche Materialien ermöglicht werden, werden derzeit eine Reihe neuer Speicher entwickelt, um den Geschwindigkeitsengpass bei nichtflüchtigen Speichern zu überwinden. Als der am weitesten verbreitete nichtflüchtige Speicher ist die Geschwindigkeit des Flash-Speichers durch die geringe Effizienz des durch ein elektrisches Feld unterstützten Programms begrenzt, wobei die berichteten Geschwindigkeiten6,7,8,9,10 viel langsamer als eine Nanosekunde sind. Hier berichten wir über einen zweidimensionalen Dirac-Graphen-Kanal-Flash-Speicher, der auf einem zweidimensional verstärkten Hot-Carrier-Injektionsmechanismus basiert und sowohl Elektronen- als auch Löcher-Injektion unterstützt. Der Dirac-Kanal-Flash zeigt eine Programmgeschwindigkeit von 400 Pikosekunden, nichtflüchtige Speicherung und robuste Ausdauer über 5,5 × 106 Zyklen. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass der Dünnkörperkanal die horizontale Verteilung des elektrischen Feldes (Ey) optimieren kann, und die verbesserte Ey-unterstützte Programm-Effizienz erhöht den Injektionsstrom auf 60,4 pA μm-1 bei |VDS| = 3,7 V. Wir stellen auch fest, dass der zweidimensionale Halbleiter Wolframdiselenid eine zweidimensional verstärkte Heißlochinjektion aufweist, allerdings mit einem anderen Injektionsverhalten. Diese Arbeit zeigt, dass die Geschwindigkeit eines nichtflüchtigen Flash-Speichers die des schnellsten flüchtigen statischen Direktzugriffsspeichers mit der gleichen Kanallänge übertreffen kann.