RRAM 或將改寫(xiě)存儲器歷史—兼評國內學(xué)者如何做出一流成果

　　導語(yǔ)：上世紀中葉單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明以及硅集成電路的研制成功，為后來(lái)的科技進(jìn)步奠定了堅實(shí)的基礎。隨后，科研工作者們不斷探索，先后將多種新型材料引入該產(chǎn)業(yè)，才有了如今半導體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。全世界都在尋找更優(yōu)質(zhì)半導體材料的道路上不曾止步，而一種新型二維材料的出現，或指明了未來(lái)存儲器的發(fā)展方向。

　　三維(3D)材料以其實(shí)用性好，加工簡(jiǎn)便及成本低廉等特點(diǎn)一直在各大行業(yè)的占據著(zhù)主導地位，而無(wú)論在科研界還是工業(yè)界，人們對二維材料的研究與應用卻始終屈指可數。我們知道所有物質(zhì)的結構都是由原子在三維空間堆疊而成的，但如果把原子平鋪到一層會(huì )怎樣?這是一個(gè)從來(lái)沒(méi)有人關(guān)注過(guò)的問(wèn)題。直到2004年石墨烯的出現讓人們第一次看到了二維材料對電子器件性能巨大的改善作用，從而引發(fā)了科學(xué)屆對二維材料的探索熱潮。

　　國內團隊首次提出并驗證了一種新型的基于二維材料的存儲器件

　　今年年初，在美國舊金山召開(kāi)的IEEE國際電子元件會(huì )議(IEDM)上，一篇由美國斯坦福大學(xué)和蘇州大學(xué)科研團隊聯(lián)合發(fā)布，闡述二維阻變式存儲器的論文引起了業(yè)內的極大關(guān)注。

　　該阻變式存儲器件(RRAM)的功能層為一種新型的二維功能材料 – 六方氮化硼(h-BN)。據我們所知，這是國內首次制備出基于二維材料的RRAM器件。此外，該材料在限制電流較低的情況下還表現出了閥值阻變特性，從而第一次證明了雙極向阻變及閥值阻變現象可以在二維材料中共存，為將來(lái)此材料的應用提供了更多的可能性。

　　近日，記者走訪(fǎng)了此論文的合作方之一——蘇州大學(xué)Mario Lanza團隊。該團隊隸屬于蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院，由中組部“青年千人”Lanza教授牽頭組建，現有16名成員。Lanza教授向集微網(wǎng)介紹：隨著(zhù)社會(huì )信息化的不斷推進(jìn)，無(wú)論是手機，電腦還是汽車(chē)都會(huì )越來(lái)越多的使用到信息存儲設備。另一方面，為了處理不斷膨脹的信息量，存儲器尺寸已經(jīng)逐漸地微縮至其物理極限。而我們所提出及制備的基于二維材料的憶阻器將有效地突破這一極限，為下一代記憶存取器件的發(fā)展提供了一個(gè)切實(shí)可行的方案。

　　Mario Lanza教授(右一)和他的學(xué)生們(從右至左，Marco A. Villena, 石媛媛，惠飛)在IEDM國際會(huì )議上的合影。

　　利用六方氮化硼的阻變性能來(lái)模擬二進(jìn)制代碼中的“0”和“1”

　　Mario Lanza團隊的研究生潘成斌對該類(lèi)新型存儲器的工作原理進(jìn)行了解釋?zhuān)?ldquo;簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們做的是一種阻變存儲器(RRAM)，它的基本原理是利用某種材料的高低阻態(tài)來(lái)模擬二進(jìn)制存儲系統中的‘0’和‘1’，且該材料的高低阻態(tài)可以通過(guò)施加不同的電壓信號來(lái)快速調節。而我們的主要工作正是從大量的備選材料中找出阻變性能最優(yōu)的材料。

　　至于為什么選擇六方氮化硼作為新型阻變材料來(lái)研究，Lanza教授如是說(shuō)道：氮化硼的結構和石墨極為類(lèi)似，因此也稱(chēng)為「白石墨」。具有由氮原子和硼原子交替組成的平面結構。其結構和石墨烯類(lèi)似，呈六角蜂窩狀。但是與石墨烯截然不同的是，它是一種具有阻變性能的優(yōu)良絕緣體，這也保證了基于該材料的憶阻器具有足夠大的器件開(kāi)關(guān)比。

　　此外，Lanza教授還講到“與傳統的存儲設備相比，氮化硼作為阻變材料的優(yōu)點(diǎn)主要有以下四個(gè)方面：一、h-BN是一種穩定的絕緣體，在受到電壓的情況下，阻變性能較傳統的3D材料二氧化鉿更加穩定(Mario Lanza團隊的研究生吉艷鳳在A(yíng)PL上的論文對此現象進(jìn)行了深入討論);二、h-BN的化學(xué)性質(zhì)比較穩定，不易于其相鄰層發(fā)生反應;三、h-BN導熱系數高，有利于器件散熱，延長(cháng)器件使用壽命;四、h-BN作為一種二維材料，具有二維材料固有的柔性和透光性，為將來(lái)制備下一代柔性透光存儲器件提供了可能。下圖為Mario Lanza 課題組所制備的Ti/h-BN/Cu結構RRAM器件的結構示意圖，透射電子顯微鏡截面圖及其特征阻變曲線(xiàn)。

　　Mario Lanza 課題組制備的Ti/h-BN/Cu結構RRAM器件的示意圖，透射電子顯微鏡截面圖及其其特征阻變曲線(xiàn)。

　　此后，Lanza教授生動(dòng)地描述了RRAM是如何工作的。“諸如圖片、文件一類(lèi)的信息，需要一種很容易的寫(xiě)入方式，即二進(jìn)制存儲。比如一張圖片有256個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)都由一個(gè)八位的二進(jìn)制代碼表示，而每位上的數字均可以用器件的高低阻態(tài)來(lái)模擬。因此，每個(gè)像素點(diǎn)的存儲將占用八個(gè)存儲器件。以此類(lèi)推，圖片的存儲就可以非常容易的得以實(shí)現。

　　與NAND相比，RRAM速度、成本、穩定性更勝一籌

　　在RRAM存儲器件與NAND存取器件的對比方面，Lanza教授講到，我們平時(shí)所用的閃存盤(pán)，例如優(yōu)盤(pán)，其存儲單元為晶體管，此類(lèi)晶體管的柵極具有存儲電子的能力。我們可以通過(guò)在源極和漏極之間施加電壓的方式在柵極區域引入或導出電子，并利用該區域有無(wú)電子這兩種狀態(tài)來(lái)代表二進(jìn)制代碼中的0和1實(shí)現信息存儲(其中有電力為0，無(wú)電子為1)。但為了迎合器件微縮化的市場(chǎng)需求，存儲器中所用晶體管的體積不斷減小，這也導致了晶體管中柵極區域用于信息存儲的電子數量越來(lái)越少。這不僅使得信息的讀取更容易出錯，也極大地增大的信息丟失的可能性。

　　此外，與傳統的晶體管存儲(NAND)相比，RRAM的存儲速度更快，器件尺寸更小，信息的存儲時(shí)間也更長(cháng)且更安全。最重要的一點(diǎn)是，RRAM所采用的“金屬-絕緣體-金屬”的結構幫助此類(lèi)器件有效地突破了傳統存儲器件的微縮物理極限。通過(guò)在兩端的金屬電極之間施加電壓，可以輕易地在絕緣體中引入(正壓)或斷開(kāi)(負壓)導電細絲，使絕緣體的電阻可以在其高低阻態(tài)之間來(lái)回切換。而其高低阻態(tài)則可分別用于模擬二進(jìn)制代碼中的“0”和“1”，進(jìn)而實(shí)現信息的存儲。

　　與先前的三端結構相比，RRAM所用的兩端結構大大縮小的器件單元的體積。此外，由于此類(lèi)器件中所涉及的導電細絲直徑通常只有幾個(gè)納米，RRAM器件有能力將器件的物理尺寸微縮至一個(gè)新的量級，從而實(shí)現下一代高密度存儲器件的制備。有報道稱(chēng)，RRAM對于信息存儲可以保存長(cháng)達十年以上。

　　在談到對未來(lái)工作的展望方面，Lanza教授說(shuō)道，“目前，我們已經(jīng)證實(shí)了h-BN在大尺寸范圍下具有較好的阻變性能，但現在所制備的器件尺寸仍然偏大(100微米*100微米)。我們的下一步計劃是對器件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，證明h-BM材料在微縮的情況下仍然能保持很好的阻變性，最終實(shí)現納米級別器件的制備。”

　　與國際一流團隊的合作，使得學(xué)生站到了學(xué)術(shù)的最前沿

　　Mario Lanza教授團隊是一個(gè)非常具有國際化視野研究集體。Lanza教授本人曾在西班牙、德國、美國、中國等不同的國家學(xué)習和工作過(guò)，正是這種多元化的學(xué)習經(jīng)歷，使他認識到國際交流對提升學(xué)術(shù)能力的重要性。他所領(lǐng)導的團隊與斯坦福、麻省理工、劍橋大學(xué)、北大、中科院等全球一流院校都有著(zhù)緊密的合作關(guān)系，為學(xué)生提供去國際一流大學(xué)實(shí)驗室工作和學(xué)習的機會(huì )，這在碩士研究生階段顯然并不多見(jiàn)。

　　實(shí)驗室外門(mén)前掛著(zhù)學(xué)生們在國外生活的各種照片和正式發(fā)表的各種論文

　　正是由于這種開(kāi)放合作的精神，使得學(xué)生擁有了更高的視野，所產(chǎn)生的科研成果也是相當豐厚，無(wú)論數量還是質(zhì)量都是非常之高。Mario Lanza團隊自2013年成立以來(lái)，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文27篇。其中2016-2017年度共發(fā)表論文13篇 ，包括Advanced Functional Materials (IF=11.382)1 篇，Nano Energy(IF=11.553)1篇，Nano Research (IF=8.893) 1篇。

　　談及自己的學(xué)生，Lanza教授難掩自豪之情，他自信地告訴集微網(wǎng)，“雖然我的學(xué)生入學(xué)時(shí)不是最好的，但當他們畢業(yè)的時(shí)候，在相同領(lǐng)域的碩士生中一定是全國最優(yōu)秀的。組里幾乎所有的成員都有機會(huì )出國學(xué)習和工作，出國交流會(huì )帶來(lái)新的想法和理念，融合別人更好的東西來(lái)發(fā)展自己。他們都發(fā)表過(guò)高水平論文，英文也都非常棒。”

　　Lanza教授在西班牙出生并在西班牙讀到博士，2009年9月第一次來(lái)到中國，在北大讀博士后，2012年在北大博士后出站后前往美國斯坦福大學(xué)工作，于2013年10月加盟李述湯院士領(lǐng)銜的蘇州大學(xué)納米與軟物質(zhì)研究院。他有著(zhù)豐富的國內外工作經(jīng)歷，他認為，對于做理論研究的科研工作者來(lái)說(shuō)，無(wú)論身處何地，所做的實(shí)驗都是相同的，最重要的不同是中國有更好的機會(huì )。他直言不諱的表示，“首先，研究經(jīng)費這是非常重要的一點(diǎn)。作為青年千人計劃中的一員成員，國家和學(xué)校都為我們提供了豐厚的資金，讓我們有錢(qián)買(mǎi)設備、買(mǎi)材料，支付學(xué)生的工資，承擔學(xué)生出國的費用;其次，中國的學(xué)校有宿舍、有食堂，相同的資金我可以有更多的學(xué)生，更大規模的團隊，雖然中國的網(wǎng)絡(luò )等因素對工作效率有一定的影響，但是總體來(lái)講，對一個(gè)老師來(lái)說(shuō)，在中國每年所能完成的工作量肯定要比在國外時(shí)多。此外，Lanza教授還提到，在中國資源很多，但是在如何更有效利用這些資源方面則還需改進(jìn)。”