新型存储器有望推动存储技术的变革

团队成员在人民大会堂合照留影。左,王艳,中,龙世兵,右,刘琦

团队成员在人民大会堂合照留影。左,王艳,中,龙世兵,右,刘琦

集成电路,俗称“芯片”,是信息技术产业的核心,被誉为国家的工业粮食。而存储器是存储信息的主要载体,占集成电路市场的四分之一,我国存储器市场占全球市场的一半,但缺乏自主知识产权和人才,导致高密度、大容量存储器完全依赖进口。

这给我国的信息安全带来了极大的隐患。

为解决此难题,有一个团队默默耕耘了十多年时间,正是凭着这种“把冷板凳坐热”的精神,使他们终于摘得2016年度国家自然科学奖二等奖的桂冠。

这正是中国科学院微电子研究所刘明院士领导的新型非易失存储器研究团队,经过15年的努力,在高密度、大容量存储器领域积累了系统的自主知识产权、培养了人才。

而他们研制的新型阻变存储器正在推进产业化进程,有望在未来进入主流存储器市场。

解密阻变存储器

项目第二完成人刘琦研究员,正是团队中的一员。回忆起与项目负责人、导师刘明院士的相识,刘琦不得不惊叹命运对自己的眷顾。2006年刘琦还在安徽大学读研究生的时候,被刘明院士的一场报告深深吸引,热爱科研的他抓住机会当时就向刘明院士表达了想做联合培养生的诉求,没想到愿望很快实现了,自己已在这个团队学习、工作了10年的时间。

他介绍说,阻变存储器是一种新型的非易失存储技术,与目前主流的非易失存储器Flash Memory(闪存)相比,在性能上有极大的优势,同时,阻变存储器由金属-介质-金属构成,结构非常简单,有利于实现三维的高密度集成,是未来大容量存储器的有力竞争者。

项目历经十余年,针对阻变存储器机理、材料、结构、集成工艺与芯片设计等方面开展了系统深入的研究工作,也在知识产权上进行了有效的部署,这些成果为我国发展具有自主知识产权的阻变存储技术奠定了科学和技术基础。

记者了解到。该团队积累的电荷俘获存储器相关技术和专利2014年转移到武汉新芯进行产业化开发,2016年,武汉新芯凭借和微电子所的技术及人才合作成为国家存储器产业基地,得到包括紫光集团、国家集成电路基金等共计240亿美元的投资,成立了长江存储公司。

“中科院微电子所存储器相关专利和技术是武芯存储器产品自主研发的初始来源和主要基础之一”。

科研过程漫长神秘

在接受《中国科学报》记者采访之前,项目第四完成人龙世兵研究员刚刚面见了一位自己辅导的本科生。这位学生刚刚用两个月的时间完成了40页全英文的投稿。

在外加电激励下,材料发生电阻变化的现象早在20世纪60年代就被报道,但是利用这种现象发展新型非易失存储技术却是从2000年才逐渐起步,龙世兵告诉记者,刘明院士团队在2004年就开始关注阻变存储器,研究历程基本与国际同步。

在初始阶段,团队发现许多的材料体系在电激励下都能出现电阻转变行为,但是绝大大部分的器件都需要一个初始激活的过程,这个过程需要较大的电压,会对器件产率、性能和可靠性造成严重的影响。

针对这个问题,他们通过理论分析,并结合大量的实验验证,发现通过掺杂能够解决上述的问题,实现了器件性能的改善和器件良率的提高。目前,这个方法已经成为阻变存储器领域改善器件性能的常用方法之一。

阻变过程伴随着一些物理化学变化,这些变化将导致导电通路在材料内部的形成和破灭,但如何观测分析这些变化的微观信息是一件非常困难的事情。

针对这个难题,他们发展了一套原位的TEM测试方法,能够在外加电压下,实时地观测材料内部导电通路的形成和破灭的过程。基于这个方法,他们首次获得了导电通路形成和破灭动态的影像过程,这对阻变的微观机制的研究产生了极大的推动作用。

理解了导电通路形成和破灭是阻变行为的根本原因,自然而然的,就想到如何控制导电通路的形成和破灭的过程,这对器件性能的改善至关重要。因此,进一步发展了电场增强的调控思想,实现了导电通路生长过程的人为调控,为阻变存储器大规模集成提供了解决方案。

产业化的美好愿景

王艳作为项目第五完成人,跟记者讲述了获奖后的心路历程。她认为自己的生活和心态没有什么变化,获奖是对团队多年工作的一个认可,也是一种鼓励。

她觉得作为一名女同志,在工作中跟男同事并没有什么不同之处。科研工作需要专注和投入,也需要成员之间互相帮助,并表示庆幸自己处在这样一个团队中。

她说,导师刘明院士是一位非常优雅温和的女性,对待工作非常认真,遇到困难向她求助,她会竭尽所能的给予帮助。待人真诚,也没什么架子。

整个团队在导师的带领下,形成了真诚朴实的工作氛围。团队成员之间也都相识多年,一起把阻变存储器这个课题一点一点做起来,从原理探索,性能改进,到商业化应用探索。

她表示一直以来得到大家很多帮助,能成为这个团队的一份子是一件很幸运的事情。

刘琦介绍说,团队在开展基础研究的同时,也注重阻变存储器的应用研究。一方面,注重知识产权的保护,目前已经申请近百项的专利,集中在材料、结构、工艺、算法、电路等方面,其中已经获得美国授权专利8项,中国授权专利50多项。

另一方面,也在积极地将成果向产业转移,目前正在跟中芯国际、北京智芯微电子科技有限公司联合开发28nm的RRAM量产工艺及产品应用开发,希望能够推动中国存储器产业自主快速发展。

来源:news.sciencenet.cn

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