新存儲(chǔ)器激活“中國芯” 將推動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)變革

　　星島環(huán)球網(wǎng)消息：集成電路俗稱芯片，是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，被譽(yù)為國家的工業(yè)糧食。而存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)信息的主要載體，占集成電路市場的四分之一，我國存儲(chǔ)器市場占全球市場的一半，但缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和人才，導(dǎo)致高密度、大容量存儲(chǔ)器完全依賴進(jìn)口。這給我國信息安全帶來了極大的隱患。

　　為解決此難題，中科院院士、中科院微電子所研究員劉明領(lǐng)導(dǎo)的新型非易失存儲(chǔ)器研究團(tuán)隊(duì)辛勤耕耘十多年，憑著“把冷板凳坐熱”的精神，終于摘得2016年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。15年來，他們在高密度、大容量存儲(chǔ)器領(lǐng)域積累了系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、培養(yǎng)了人才，而他們研制的新型阻變存儲(chǔ)器正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，未來有望進(jìn)入主流存儲(chǔ)器市場。

　　解密阻變存儲(chǔ)器

　　中科院微電子所研究員劉琦是團(tuán)隊(duì)中的一員。2006年，劉琦還在安徽大學(xué)讀研究生的時(shí)候，被劉明的一場報(bào)告深深吸引，熱愛科研的他抓住機(jī)會(huì)，當(dāng)時(shí)就向劉明表達(dá)了想做聯(lián)合培養(yǎng)生的訴求，沒想到愿望很快實(shí)現(xiàn)了。目前他已在這個(gè)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、工作了10年的時(shí)間。

　　劉琦說，阻變存儲(chǔ)是一種新型的非易失存儲(chǔ)技術(shù)，與目前主流的非易失存儲(chǔ)器Flash Memory(閃存)相比，在性能上有極大的優(yōu)勢，同時(shí)，阻變存儲(chǔ)器由金屬—介質(zhì)—金屬構(gòu)成，結(jié)構(gòu)非常簡單，有利于實(shí)現(xiàn)三維的高密度集成，是未來大容量存儲(chǔ)器的有力競爭者。

　　該項(xiàng)目歷經(jīng)十余年，針對(duì)阻變存儲(chǔ)器機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、集成工藝與芯片設(shè)計(jì)等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，也在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上進(jìn)行了有效的部署，這些成果為我國發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的阻變存儲(chǔ)技術(shù)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　該團(tuán)隊(duì)積累的電荷俘獲存儲(chǔ)器相關(guān)技術(shù)和專利2014年轉(zhuǎn)移到武漢新芯進(jìn)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(chǔ)器產(chǎn)業(yè)基地，得到包括紫光集團(tuán)、國家集成電路基金等共計(jì)240億美元的投資，成立了長江存儲(chǔ)公司。中科院微電子所存儲(chǔ)器相關(guān)專利和技術(shù)，是武漢新芯存儲(chǔ)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(xué)報(bào)》記者采訪之前，項(xiàng)目第四完成人龍世兵研究員剛輔導(dǎo)完自己的本科生。這位本科生僅用兩個(gè)月的時(shí)間就完成了40頁全英文論文的投稿。

　　在外加電激勵(lì)下，材料發(fā)生電阻變化的現(xiàn)象早在20世紀(jì)60年代就被報(bào)道，但是利用這種現(xiàn)象發(fā)展新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)卻是2000年才逐漸起步。龍世兵告訴記者，該團(tuán)隊(duì)在2004年就開始關(guān)注阻變存儲(chǔ)器，研究歷程基本與國際同步。

　　在初始階段，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多材料體系在電激勵(lì)下都能出現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)變行為，但是絕大部分的器件都需要一個(gè)初始激活過程，這個(gè)過程需要較大的電壓，會(huì)對(duì)器件產(chǎn)率、性能和可靠性造成嚴(yán)重的影響。針對(duì)這個(gè)問題，他們通過理論分析，并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)通過摻雜能夠解決上述問題，可以實(shí)現(xiàn)器件性能的改善和器件良品率的提高。目前，該方法已經(jīng)成為阻變存儲(chǔ)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(xué)變化，這些變化會(huì)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(duì)這一難題，他們發(fā)展了一套原位TEM測試方法，能夠在外加電壓下，實(shí)時(shí)觀測材料內(nèi)部導(dǎo)電通路的形成和破滅的過程?；谠摲椒?，他們首次獲得了導(dǎo)電通路形成和破滅動(dòng)態(tài)的影像過程，這對(duì)阻變微觀機(jī)制的研究產(chǎn)生了極大的推動(dòng)。同時(shí)，研究人員進(jìn)一步發(fā)展了電場增強(qiáng)的調(diào)控思想，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電通路生長過程的人為調(diào)控，為阻變存儲(chǔ)器大規(guī)模集成提供了解決方案。

　　產(chǎn)業(yè)化的美好愿景

　　“獲獎(jiǎng)是對(duì)團(tuán)隊(duì)多年工作的一個(gè)認(rèn)可，也是一種鼓勵(lì)。”該項(xiàng)目第五完成人王艷向記者講述了獲獎(jiǎng)后的心路歷程，科研工作需要專注和投入，也需要成員之間互相幫助。

　　王艷說：“非常慶幸自己處在這樣一個(gè)團(tuán)隊(duì)中，導(dǎo)師劉明院士是一位非常優(yōu)雅溫和的女性，對(duì)待工作非常認(rèn)真，待人真誠，也沒什么架子。整個(gè)團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，形成了真誠樸實(shí)的工作氛圍。團(tuán)隊(duì)成員之間也都相識(shí)多年，一起把阻變存儲(chǔ)器這個(gè)課題一點(diǎn)一點(diǎn)做起來，從原理探索、性能改進(jìn)，到商業(yè)化應(yīng)用探索。”

　　劉琦介紹說，團(tuán)隊(duì)在開展基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也沒有忽視阻變存儲(chǔ)器的應(yīng)用研究。一方面，注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，目前已經(jīng)申請(qǐng)近百項(xiàng)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(xiàng)、中國授權(quán)專利50多項(xiàng)。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)28納米的RRAM量產(chǎn)工藝，希望能夠推動(dòng)中國存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)自主快速發(fā)展。