新型存儲器有望推動(dòng)存儲技術(shù)的變革

　　集成電路，俗稱(chēng)“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。而存儲器是存儲信息的主要載體，占集成電路市場(chǎng)的四分之一，我國存儲器市場(chǎng)占全球市場(chǎng)的一半，但缺乏自主知識產(chǎn)權和人才，導致高密度、大容量存儲器完全依賴(lài)進(jìn)口。這給我國的信息安全帶來(lái)了極大的隱患。

　　為解決此難題，有一個(gè)團隊默默耕耘了十多年時(shí)間，正是憑著(zhù)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(xué)獎二等獎的桂冠。這正是中國科學(xué)院微電子研究所劉明院士領(lǐng)導的新型非易失存儲器研究團隊，經(jīng)過(guò)15年的努力，在高密度、大容量存儲器領(lǐng)域積累了系統的自主知識產(chǎn)權、培養了人才。而他們研制的新型阻變存儲器正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，有望在未來(lái)進(jìn)入主流存儲器市場(chǎng)。

　　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(xué)讀研究生的時(shí)候，被劉明院士的一場(chǎng)報告深深吸引，熱愛(ài)科研的他抓住機會(huì )當時(shí)就向劉明院士表達了想做聯(lián)合培養生的訴求，沒(méi)想到愿望很快實(shí)現了，自己已在這個(gè)團隊學(xué)習、工作了10年的時(shí)間。

　　他介紹說(shuō)，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(shí)，阻變存儲器由金屬-介質(zhì)-金屬構成，結構非常簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現三維的高密度集成，是未來(lái)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、結構、集成工藝與芯片設計等方面開(kāi)展了系統深入的研究工作，也在知識產(chǎn)權上進(jìn)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)權的阻變存儲技術(shù)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎。

　　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(zhuān)利2014年轉移到武漢新芯進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)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(cháng)江存儲公司。“中科院微電子所存儲器相關(guān)專(zhuān)利和技術(shù)是武芯存儲器產(chǎn)品自主研發(fā)的初始來(lái)源和主要基礎之一”。

　　科研過(guò)程漫長(cháng)神秘

　　在接受《中國科學(xué)報》記者采訪(fǎng)之前，項目第四完成人龍世兵研究員剛剛面見(jiàn)了一位自己輔導的本科生。這位學(xué)生剛剛用兩個(gè)月的時(shí)間完成了40頁(yè)全英文的投稿。

　　在外加電激勵下，材料發(fā)生電阻變化的現象早在20世紀60年代就被報道，但是利用這種現象發(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(kāi)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)現許多的材料體系在電激勵下都能出現電阻轉變行為，但是絕大大部分的器件都需要一個(gè)初始激活的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要較大的電壓，會(huì )對器件產(chǎn)率、性能和可靠性造成嚴重的影響。針對這個(gè)問(wèn)題，他們通過(guò)理論分析，并結合大量的實(shí)驗驗證，發(fā)現通過(guò)摻雜能夠解決上述的問(wèn)題，實(shí)現了器件性能的改善和器件良率的提高。目前，這個(gè)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(guò)程伴隨著(zhù)一些物理化學(xué)變化，這些變化將導致導電通路在材料內部的形成和破滅，但如何觀(guān)測分析這些變化的微觀(guān)信息是一件非常困難的事情。針對這個(gè)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(shí)時(shí)地觀(guān)測材料內部導電通路的形成和破滅的過(guò)程?；谶@個(gè)方法，他們首次獲得了導電通路形成和破滅動(dòng)態(tài)的影像過(guò)程，這對阻變的微觀(guān)機制的研究產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。

　　理解了導電通路形成和破滅是阻變行為的根本原因，自然而然的，就想到如何控制導電通路的形成和破滅的過(guò)程，這對器件性能的改善至關(guān)重要。因此，進(jìn)一步發(fā)展了電場(chǎng)增強的調控思想，實(shí)現了導電通路生長(cháng)過(guò)程的人為調控，為阻變存儲器大規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(méi)有什么變化，獲獎是對團隊多年工作的一個(gè)認可，也是一種鼓勵。

　　她覺(jué)得作為一名女同志，在工作中跟男同事并沒(méi)有什么不同之處?？蒲泄ぷ餍枰獙?zhuān)注和投入，也需要成員之間互相幫助，并表示慶幸自己處在這樣一個(gè)團隊中。她說(shuō)，導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(huì )竭盡所能的給予幫助。待人真誠，也沒(méi)什么架子。

　　整個(gè)團隊在導師的帶領(lǐng)下，形成了真誠樸實(shí)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(gè)課題一點(diǎn)一點(diǎn)做起來(lái)，從原理探索，性能改進(jìn)，到商業(yè)化應用探索。她表示一直以來(lái)得到大家很多幫助，能成為這個(gè)團隊的一份子是一件很幸運的事情。

　　劉琦介紹說(shuō)，團隊在開(kāi)展基礎研究的同時(shí)，也注重阻變存儲器的應用研究。一方面，注重知識產(chǎn)權的保護，目前已經(jīng)申請近百項的專(zhuān)利，集中在材料、結構、工藝、算法、電路等方面，其中已經(jīng)獲得美國授權專(zhuān)利8項，中國授權專(zhuān)利50多項。另一方面，也在積極地將成果向產(chǎn)業(yè)轉移，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(kāi)發(fā)28nm的RRAM量產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應用開(kāi)發(fā)，希望能夠推動(dòng)中國存儲器產(chǎn)業(yè)自主快速發(fā)展。