上海科学家20年研制推开“未来存储器”大门 ▲科研人员在实验室工艺平台

【上海科学家20年研制推开“未来存储器”大门】

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▲科研人员在实验室工艺平台上制备单质碲开关器件。
智能时代对海量数据、超快运算的要求不断提升，体积更小、耗电更省、寿命更长的“未来存储器”也成为业界的一大研发重点。中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究团队经过20年的不懈努力，研制出了一种单质碲新型存储开关器件，其性能稳定、漏电量小、寿命长，展现出十分诱人的应用前景。最新出版的国际著名学术期刊《科学》报道了这一“前所未有的”基础研究成果。
大到数据中心，小到小小芯片，都离不开动态内存（DRAM）。现在通用的DRAM有一个致命缺点，那就是怕断电——一旦断电，内存中的数据就会瞬间消失，再也找不回来。虽然也有可随时保存数据的闪存（FLASH），但数据擦写、读取都很慢，科学家总希望找到一种更完美的下一代存储器。
相变存储器（PCM）就是这样一种理想的存储器：它通过电流和电场的开关，让存储材料在晶态和非晶态间切换。一开一关改变的是材料的物理状态，即使断电，这种状态也不会消失，同时还可快速擦写。以100兆数据搜索为例，用PCM只需1秒，比传统存储器快了19倍，而100兆的数据量相当于一部《二十五史》的信息量。
随着数字经济、5G、物联网、人工智能的兴起和发展，数据爆发式增长，人类社会正步入到以大数据为特征的智能化时代，这对信息存储和处理带来极大挑战。PCM也从二维向三维发展，制造工艺对三维PCM（3D PCM）材料提出了更为苛刻的要求。早在2002年，宋志棠就开始关注这个方向。他的课题组从2003年开始不断寻找适合做3D PCM的相变材料和开关材料。
“当全世界寻找的开关材料越来越复杂，我们却想反其道而行之。”2017年，宋志棠的学生朱敏结束德国“洪堡学者”访学项目归国，加入研究组，开始重新审视一种广为人知的半导体材料——碲。朱敏研究员解释，材料组成越复杂，在纳米尺度上就越难做得均匀，这样就制约了3D PCM的寿命和存储密度的提升。他们在实验中发现，单质碲竟然还有着尚未被人们察觉的特性：它可以在-10℃至400℃的宽广温度范围内，在电压作用下，在具有半导体特性的晶态与具有类金属特性的液态之间快速切换，从而形成肖特基结或欧姆接触。
由于单质碲材料最简单，液态时电阻跟金属一样低，故而驱动电流强大、性能稳定，开关寿命可长达1亿多次，且漏电量小。而且，单质碲的沉积无需高温，这对于存储器的3D层叠加工至关重要。
经过四年多攻关，研究组在世界上首创了新型单质碲存储开关器件。《科学》杂志高级编辑布伦特·格罗乔斯基以“单质开关”为题发表评论认为，这种纯碲器件“能够进行快速的相转变”“为避免多元素相变材料引发的问题，提供了十分吸引人的应用前景” 。意大利国家研究委员会微电子和微系统所教授拉法埃拉·卡拉尔科认为，宋志棠、朱敏等研究人员的成果是“前所未有的” ， “为实现晶态单质开关器件提供了稳健的方法，也为3D PCM的研发提供了新视角” 。
“接下来，我们将进行大量工程化验证。”宋志棠表示，一旦工程化验证完成，该技术将有更明确的市场方向。同时他们相信， “固液开关理论”也将成为相变存储领域中一个重要的创新方向。