19年不丟數據，擦寫6萬次不壞，原子級材料重新定義未來芯片

手機充電一次能用一整個星期，手表不需要每天摘下來充電，攝像頭拍完照片立刻就能完成圖像識別，不用把數據傳到云端等上幾秒，這便是上海大學王震宇副教授和瑞士、意大利的合作者正在推動的技術。

他們最近在《自然·電子學》上發表了一篇論文，用兩種原子級厚度的材料二硫化鈮和二硫化鉬做出了新型非易失存儲器。這個存儲器能保持數據大約 19 年，可以反復編程擦除超過 6 萬次，而且它本身就是一個性能很好的晶體管。換句話說，這個器件同時具備計算和存儲兩種本領。

王震宇目前在上海大學微電子學院和中瑞先進技術研究院工作。他 2019 年從清華大學本科畢業，之后在瑞士洛桑聯邦理工學院攻讀博士，師從二維半導體領域的重要學者 Andras Kis 教授。2025 年回國加入上海大學后，他繼續推進二維材料從實驗室走向實際應用的研究。

這項研究的核心是一層原子級薄的二硫化鉬，它作為半導體通道，負責電流的開關。傳統上，科學家用金屬電極比如鈦或者金來連接這種二維材料，但界面質量很差，接觸不好、電阻很大，器件性能大打折扣。

王震宇和合作者換了一種思路，他們先在藍寶石襯底上用金屬有機物化學氣相沉積技術生長出高質量的單層二硫化鉬，然后通過光刻和干法刻蝕定義出想要的圖案。接著，他們在特定位置蒸鍍一層 3 納米厚的金屬鈮，再經過硫化處理，這層鈮就轉化成了二硫化鈮。二硫化鈮是金屬性的二維材料，和下面的二硫化鉬形成了原子級平整的異質結構。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

這個過程的關鍵在于，他們直接在半導體的特定位置上長出金屬性的二維材料作為接觸電極。這種生長即集成的思路避免了傳統轉移帶來的污染和界面缺陷，也實現了晶圓級的可圖形化制備。

相比傳統的二硫化鉬晶體管，這種異質結構的開態電流最高提升了 9 倍，有效遷移率達到每伏特秒 77 平方厘米，器件的統計良率高達 95.8%。這意味著在厘米尺度的范圍內，144 個晶體管里只有少數幾個不工作，均勻性非常好。

如果只是做一個好用的晶體管，這個故事還不夠精彩。王震宇團隊把這種異質結構進一步用到了浮柵晶體管里。他們在硅襯底上先做了一層 5 納米厚的鉑作為浮柵，浮柵上下分別有7納米厚的隧穿氧化層和 270 納米厚的阻擋氧化層，最上面就是二硫化鈮接觸的二硫化鉬通道。

當你在控制柵上施加電壓時，電子會通過隧穿氧化層進入鉑浮柵，被存儲在那里。去掉電壓后，電子被困在浮柵里，器件的閾值電壓發生偏移，電流大小因此改變，這就是非易失存儲的原理。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

這個存儲器的存儲窗口達到了 13.8 伏，可以精細地調節通道的電導狀態。王震宇用 10 毫秒寬度的電壓脈沖，一步一步地增加或者減小器件的電導，實現了線性的連續調制。這種特性對于存內計算非常重要，因為神經網絡中的權重值需要被精確地設置為不同的狀態。

數據保持能力是非易失存儲的關鍵指標，他們在室溫下測試了 10 個小時，器件的電導幾乎沒有變化。為了推算更長時間的穩定性，他們把器件加熱到 425 開爾文，在這個溫度下數據能保持 18.2 小時。利用阿倫尼烏斯模型計算，加速因子大約是 8,973 倍，折算到室溫就是大約 19 年。他們還對器件進行反復編程和擦除，在超過 6 萬個循環之后器件才失效。這證明了它的耐用性。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

傳統存儲器比如手機里的閃存或者電腦里的固態硬盤，存儲密度非常高，價格也很便宜，但它們做計算很慢。每次計算都要把數據從存儲器搬到處理器，處理完再搬回去，這個過程既費時間又耗電。王震宇做的這個器件，存儲和計算在同一個物理層完成，數據不用來回搬運，能耗大大降低。

這種技術和現在的 3D NAND 或者 NOR Flash 不是正面競爭的關系，王震宇自己也很清楚這一點，他告訴 DeepTech NAND 閃存的優勢來自不斷堆疊存儲層數，但繼續提高密度需要越來越復雜的刻蝕工藝，成本也在持續增加。而他們的器件基于原子級厚度的材料，除了具備非易失存儲功能，還能同時作為高性能晶體管工作，相當于把存儲和計算融合在同一個器件里。這對于未來低功耗計算和存內計算等新架構很有吸引力。

當然，從實驗室走向產業還有很長一段路，王震宇認為第一代產品形態可能是和邏輯電路緊密耦合的存算一體計算單元。如果單純做大容量存儲，需要直接和成熟的閃存、DRAM 技術競爭，在成本、密度和產業成熟度上，二維材料目前還不具備優勢。它更有潛力的地方在于可穿戴設備、智能傳感器、機器人或者低功耗終端這些場景，因為這些場景本身更關注功耗、響應速度和本地計算能力。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z）

王震宇預計，未來 3 到 5 年可能會看到一些小規模的功能驗證芯片，比如用于簡單 AI 推理任務或者存內計算演示。如果要真正進入復雜應用系統甚至產業化產品，可能需要 5 到 10 年甚至更長時間。這類技術的發展更像一場長期積累，不會一夜之間替代現有芯片體系，而是逐漸在一些特定場景找到自己的位置。

這項研究的另一個亮點是可擴展性，他們和意大利的合作者用計算機輔助設計工具做了仿真，發現當柵長從 5 微米縮小到 10 納米時，只要適當減薄控制氧化層的厚度，存儲窗口可以基本保持。這說明這種結構有潛力做得非常小，符合芯片制造不斷微縮的趨勢。

研究中王震宇在感受到了跨國合作的獨特價值，這個項目涉及中國、瑞士、意大利多個國家的團隊，大家分布在不同的時區，有時候早上剛和上海團隊討論完實驗方案，晚上又要和瑞士團隊開會，第二天可能還會收到意大利合作方的新結果。不同團隊的研究背景和思路都不太一樣，但也正因為這樣，經常碰撞出新的想法。

從國家戰略層面看，十五五期間非常強調原子級制造、新材料體系以及未來芯片技術的發展。二維材料由于天然具備原子級厚度、界面可設計等獨特優勢，與原子級制造的發展方向高度契合。王震宇也希望面向國家重大需求，進一步推動二維材料從實驗室基礎研究走向實際器件和系統應用。

這項工作目前主要完成了材料和單器件層面的驗證，接下來會放在更高層級的集成和應用驗證上。比如進一步擴大二維異質結構的制備尺寸，提高材料均勻性和工藝穩定性，推進器件陣列、存算一體架構以及實際功能芯片的驗證，真正把材料、工藝、器件和系統連接起來。

另據悉，王震宇去年從瑞士回國后加入上海大學微電子學院和中瑞先進技術研究院。學校近年來與瑞士工程和科學界合作非常深入，已經連續三年承辦中瑞工程院創新論壇。這項成果也是中瑞高校長期合作的代表性成果之一。未來他們也希望進一步加強與瑞士高校和科研機構的合作，在二維材料大規模制造、異質集成以及低功耗器件等方向開展更深入的聯合研究。

參考資料：

相關論文https://www.nature.com/articles/s41928-026-01634-z

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成