新型存儲器有望推動存儲技術(shù)的變革

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

　　為解決此難題，有一個團(tuán)隊(duì)默默耕耘了十多年時間，正是憑著這種“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(dǎo)的新型非易失存儲器研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過15年的努力，在高密度、大容量存儲器領(lǐng)域積累了系統(tǒng)的自主知識產(chǎn)權(quán)、培養(yǎng)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，有望在未來進(jìn)入主流存儲器市場。

　　解密阻變存儲器

　　項(xiàng)目第二完成人劉琦研究員，正是團(tuán)隊(duì)中的一員?；貞浧鹋c項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、導(dǎo)師劉明院士的相識，劉琦不得不驚嘆命運(yùn)對自己的眷顧。2006年劉琦還在安徽大學(xué)讀研究生的時候，被劉明院士的一場報告深深吸引，熱愛科研的他抓住機(jī)會當(dāng)時就向劉明院士表達(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，自己已在這個團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、工作了10年的時間。

　　他介紹說，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，阻變存儲器由金屬-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，是未來大容量存儲器的有力競爭者。

　　項(xiàng)目歷經(jīng)十余年，針對阻變存儲器機(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，也在知識產(chǎn)權(quán)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(quán)的阻變存儲技術(shù)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　記者了解到。該團(tuán)隊(duì)積累的電荷俘獲存儲器相關(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，成立了長江存儲公司。“中科院微電子所存儲器相關(guān)專利和技術(shù)是武芯存儲器產(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》記者采訪之前，項(xiàng)目第四完成人龍世兵研究員剛剛面見了一位自己輔導(dǎo)的本科生。這位學(xué)生剛剛用兩個月的時間完成了40頁全英文的投稿。

　　在外加電激勵下，材料發(fā)生電阻變化的現(xiàn)象早在20世紀(jì)60年代就被報道，但是利用這種現(xiàn)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(tuán)隊(duì)在2004年就開始關(guān)注阻變存儲器，研究歷程基本與國際同步。

　　在初始階段，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多的材料體系在電激勵下都能出現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)變行為，但是絕大大部分的器件都需要一個初始激活的過程，這個過程需要較大的電壓，會對器件產(chǎn)率、性能和可靠性造成嚴(yán)重的影響。針對這個問題，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的問題，實(shí)現(xiàn)了器件性能的改善和器件良率的提高。目前，這個方法已經(jīng)成為阻變存儲器領(lǐng)域改善器件性能的常用方法之一。

　　阻變過程伴隨著一些物理化學(xué)變化，這些變化將導(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。針對這個難題，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)時地觀測材料內(nèi)部導(dǎo)電通路的形成和破滅的過程。基于這個方法，他們首次獲得了導(dǎo)電通路形成和破滅動態(tài)的影像過程，這對阻變的微觀機(jī)制的研究產(chǎn)生了極大的推動作用。

　　理解了導(dǎo)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(dǎo)電通路的形成和破滅的過程，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，為阻變存儲器大規(guī)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(xiàng)目第五完成人，跟記者講述了獲獎后的心路歷程。她認(rèn)為自己的生活和心態(tài)沒有什么變化，獲獎是對團(tuán)隊(duì)多年工作的一個認(rèn)可，也是一種鼓勵。

　　她覺得作為一名女同志，在工作中跟男同事并沒有什么不同之處。科研工作需要專注和投入，也需要成員之間互相幫助，并表示慶幸自己處在這樣一個團(tuán)隊(duì)中。她說，導(dǎo)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(rèn)真，遇到困難向她求助，她會竭盡所能的給予幫助。待人真誠，也沒什么架子。

　　整個團(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)成員之間也都相識多年，一起把阻變存儲器這個課題一點(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。她表示一直以來得到大家很多幫助，能成為這個團(tuán)隊(duì)的一份子是一件很幸運(yùn)的事情。

　　劉琦介紹說，團(tuán)隊(duì)在開展基礎(chǔ)研究的同時，也注重阻變存儲器的應(yīng)用研究。一方面，注重知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，目前已經(jīng)申請近百項(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)28nm的RRAM量產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)，希望能夠推動中國存儲器產(chǎn)業(yè)自主快速發(fā)展。