新型存儲器有望推動存儲技術(shù)的變革
集成電路,俗稱“芯片”,是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心,被譽為國家的工業(yè)糧食。而存儲器是存儲信息的主要載體,占集成電路市場的四分之一,我國存儲器市場占全球市場的一半,但缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)和人才,導(dǎo)致高密度、大容量存儲器完全依賴進口。這給我國的信息安全帶來了極大的隱患。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201702/343784.htm為解決此難題,有一個團隊默默耕耘了十多年時間,正是憑著這種“把冷板凳坐熱”的精神,使他們終于摘得2016年度國家自然科學獎二等獎的桂冠。這正是中國科學院微電子研究所劉明院士領(lǐng)導(dǎo)的新型非易失存儲器研究團隊,經(jīng)過15年的努力,在高密度、大容量存儲器領(lǐng)域積累了系統(tǒng)的自主知識產(chǎn)權(quán)、培養(yǎng)了人才。而他們研制的新型阻變存儲器正在推進產(chǎn)業(yè)化進程,有望在未來進入主流存儲器市場。
解密阻變存儲器
項目第二完成人劉琦研究員,正是團隊中的一員?;貞浧鹋c項目負責人、導(dǎo)師劉明院士的相識,劉琦不得不驚嘆命運對自己的眷顧。2006年劉琦還在安徽大學讀研究生的時候,被劉明院士的一場報告深深吸引,熱愛科研的他抓住機會當時就向劉明院士表達了想做聯(lián)合培養(yǎng)生的訴求,沒想到愿望很快實現(xiàn)了,自己已在這個團隊學習、工作了10年的時間。
他介紹說,阻變存儲器是一種新型的非易失存儲技術(shù),與目前主流的非易失存儲器Flash Memory(閃存)相比,在性能上有極大的優(yōu)勢,同時,阻變存儲器由金屬-介質(zhì)-金屬構(gòu)成,結(jié)構(gòu)非常簡單,有利于實現(xiàn)三維的高密度集成,是未來大容量存儲器的有力競爭者。
項目歷經(jīng)十余年,針對阻變存儲器機理、材料、結(jié)構(gòu)、集成工藝與芯片設(shè)計等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作,也在知識產(chǎn)權(quán)上進行了有效的部署,這些成果為我國發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的阻變存儲技術(shù)奠定了科學和技術(shù)基礎(chǔ)。
記者了解到。該團隊積累的電荷俘獲存儲器相關(guān)技術(shù)和專利2014年轉(zhuǎn)移到武漢新芯進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā),2016年,武漢新芯憑借和微電子所的技術(shù)及人才合作成為國家存儲器產(chǎn)業(yè)基地,得到包括紫光集團、國家集成電路基金等共計240億美元的投資,成立了長江存儲公司。“中科院微電子所存儲器相關(guān)專利和技術(shù)是武芯存儲器產(chǎn)品自主研發(fā)的初始來源和主要基礎(chǔ)之一”。
科研過程漫長神秘
在接受《中國科學報》記者采訪之前,項目第四完成人龍世兵研究員剛剛面見了一位自己輔導(dǎo)的本科生。這位學生剛剛用兩個月的時間完成了40頁全英文的投稿。
在外加電激勵下,材料發(fā)生電阻變化的現(xiàn)象早在20世紀60年代就被報道,但是利用這種現(xiàn)象發(fā)展新型非易失存儲技術(shù)卻是從2000年才逐漸起步,龍世兵告訴記者,劉明院士團隊在2004年就開始關(guān)注阻變存儲器,研究歷程基本與國際同步。
在初始階段,團隊發(fā)現(xiàn)許多的材料體系在電激勵下都能出現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)變行為,但是絕大大部分的器件都需要一個初始激活的過程,這個過程需要較大的電壓,會對器件產(chǎn)率、性能和可靠性造成嚴重的影響。針對這個問題,他們通過理論分析,并結(jié)合大量的實驗驗證,發(fā)現(xiàn)通過摻雜能夠解決上述的問題,實現(xiàn)了器件性能的改善和器件良率的提高。目前,這個方法已經(jīng)成為阻變存儲器領(lǐng)域改善器件性能的常用方法之一。
阻變過程伴隨著一些物理化學變化,這些變化將導(dǎo)致導(dǎo)電通路在材料內(nèi)部的形成和破滅,但如何觀測分析這些變化的微觀信息是一件非常困難的事情。針對這個難題,他們發(fā)展了一套原位的TEM測試方法,能夠在外加電壓下,實時地觀測材料內(nèi)部導(dǎo)電通路的形成和破滅的過程?;谶@個方法,他們首次獲得了導(dǎo)電通路形成和破滅動態(tài)的影像過程,這對阻變的微觀機制的研究產(chǎn)生了極大的推動作用。
理解了導(dǎo)電通路形成和破滅是阻變行為的根本原因,自然而然的,就想到如何控制導(dǎo)電通路的形成和破滅的過程,這對器件性能的改善至關(guān)重要。因此,進一步發(fā)展了電場增強的調(diào)控思想,實現(xiàn)了導(dǎo)電通路生長過程的人為調(diào)控,為阻變存儲器大規(guī)模集成提供了解決方案。
產(chǎn)業(yè)化的美好愿景
王艷作為項目第五完成人,跟記者講述了獲獎后的心路歷程。她認為自己的生活和心態(tài)沒有什么變化,獲獎是對團隊多年工作的一個認可,也是一種鼓勵。
她覺得作為一名女同志,在工作中跟男同事并沒有什么不同之處??蒲泄ぷ餍枰獙W⒑屯度?,也需要成員之間互相幫助,并表示慶幸自己處在這樣一個團隊中。她說,導(dǎo)師劉明院士是一位非常優(yōu)雅溫和的女性,對待工作非常認真,遇到困難向她求助,她會竭盡所能的給予幫助。待人真誠,也沒什么架子。
整個團隊在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下,形成了真誠樸實的工作氛圍。團隊成員之間也都相識多年,一起把阻變存儲器這個課題一點一點做起來,從原理探索,性能改進,到商業(yè)化應(yīng)用探索。她表示一直以來得到大家很多幫助,能成為這個團隊的一份子是一件很幸運的事情。
劉琦介紹說,團隊在開展基礎(chǔ)研究的同時,也注重阻變存儲器的應(yīng)用研究。一方面,注重知識產(chǎn)權(quán)的保護,目前已經(jīng)申請近百項的專利,集中在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、算法、電路等方面,其中已經(jīng)獲得美國授權(quán)專利8項,中國授權(quán)專利50多項。另一方面,也在積極地將成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,目前正在跟中芯國際、北京智芯微電子科技有限公司聯(lián)合開發(fā)28nm的RRAM量產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā),希望能夠推動中國存儲器產(chǎn)業(yè)自主快速發(fā)展。
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