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1研究背景
在现代计算机架构中，内存层次结构的深度是其性能的关键因素之一。随着处理器性能的不断提升，如何有效地缩短数据访问时间并降低延迟成为了一个亟待解决的问题。嵌入式动态随机存取存储器（eDRAM）作为一种高效的缓存解决方案，逐渐受到关注。传统的eDRAM采用单晶硅（Si）材料，但其在数据保持时间和集成密度方面存在一定的局限性。为了克服这些挑战，研究人员开始探索新型材料的应用，尤其是二维材料如二硫化钼（MoS2）。MoS2作为一种广泛研究的二维过渡金属二硫化物，具有优异的电学性能和较低的关断电流（IOFF），使其成为改善eDRAM性能的理想选择。然而，单纯使用MoS2作为存储材料时，其驱动电流（ION）相对较低，导致感应余量不足。为了解决这一问题，研究人员提出了一种异质结构的eDRAM设计，将硅和MoS2结合，形成一种新型的两晶体管无电容eDRAM（2T-eDRAM）。这种结构不仅能够提高数据保持时间，还能在保持高驱动电流的同时，兼具逻辑兼容性。这一创新的设计为高性能计算系统提供了更为理想的缓存解决方案。
2成果简介
在这项研究中，研究人员成功开发了一种新型的硅-二硫化钼异质嵌入式动态随机存取存储器（2T-eDRAM）。该器件通过将MoS2作为写入晶体管，与硅作为读取晶体管相结合，显著提高了数据保持时间和感应余量。研究表明，这种新型eDRAM的数据显示保持时间可达到6000秒，感应余量高达35 μA/μm，相比于传统的全硅和MoS2 eDRAM，分别提升了1000倍和100倍。该研究采用三维设计，将MoS2堆叠在硅上，利用后端工艺（BEOL）实现了更高的集成密度。研究人员还展示了该器件在5纳秒的访问速度下，具备良好的逻辑兼容性和高集成密度，标志着存储技术的重大进展。此外，研究还探讨了在不同层数的MoS2材料下，器件的电气特性和性能表现。通过优化MoS2的层数，研究人员发现双层MoS2在保持时间、写入速度和静态功耗方面表现出色。最终，研究人员的成果为未来的高性能计算系统提供了新的思路，推动了嵌入式存储器技术的发展。3图文导读
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图1 异质2T-eDRAM的三维结构示意图，展示了MoS2作为写入晶体管，硅作为读取晶体管的配置。![]()
图2 Si nFET和MoS2 nFET的转移特性和输出特性比较，显示了两者在不同偏置条件下的驱动电流表现。![]()
图3 展示了2T-eDRAM的IRBL随时间变化的特性，表明在写入“1”和“0”操作后的数据保持能力。![]()
图4 比较了不同层数MoS2的能带图，展示了单层MoS2和双层MoS2在阈值电压和关断电流方面的差异。
4小结
本研究展示了硅-二硫化钼异质2T-eDRAM在内存技术中的巨大潜力。研究人员通过将MoS2与硅结合，成功克服了传统eDRAM在数据保持时间和集成密度方面的不足。该器件不仅在数据保持时间上实现了6000秒的突破，还在感应余量和访问速度上表现出色，具有广泛的应用前景。随着计算需求的不断增长，传统的内存技术面临着严峻的挑战，而本研究的成果为未来的高性能计算系统提供了新的解决方案。通过将先进的二维材料与成熟的硅技术相结合，研究人员为存储器技术的发展开辟了新的方向，推动了更高集成度和更低功耗的存储器设计。总之，硅-二硫化钼异质2T-eDRAM的成功开发不仅为高性能计算提供了强有力的支持，也为未来的存储器技术创新奠定了基础，预示着新一代内存技术的到来。文献：
Xiao, K., Wan, J., Xie, H. et al. High performance Si-MoS2 heterogeneous embedded DRAM. Nat Commun 15, 9782 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54218-w
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