RRAM 或將改寫存儲器歷史—兼評國內學者如何做出一流成果

　　導語：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，為后來的科技進步奠定了堅實的基礎。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業(yè)，才有了如今半導體產業(yè)的蓬勃發(fā)展。全世界都在尋找更優(yōu)質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(xiàn)，或指明了未來存儲器的發(fā)展方向。

　　三維(3D)材料以其實用性好，加工簡便及成本低廉等特點一直在各大行業(yè)的占據著主導地位，而無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怎樣?這是一個從來沒有人關注過的問題。直到2004年石墨烯的出現(xiàn)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，在美國舊金山召開的IEEE國際電子元件會議(IEDM)上，一篇由美國斯坦福大學和蘇州大學科研團隊聯(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(xiàn)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(xiàn)象可以在二維材料中共存，為將來此材料的應用提供了更多的可能性。

　　近日，記者走訪了此論文的合作方之一——蘇州大學Mario Lanza團隊。該團隊隸屬于蘇州大學功能納米與軟物質研究院，由中組部“青年千人”Lanza教授牽頭組建，現(xiàn)有16名成員。Lanza教授向集微網介紹：隨著社會信息化的不斷推進，無論是手機，電腦還是汽車都會越來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)展提供了一個切實可行的方案。

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

　　利用六方氮化硼的阻變性能來模擬二進制代碼中的“0”和“1”

　　Mario Lanza團隊的研究生潘成斌對該類新型存儲器的工作原理進行了解釋，“簡單來說，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)來模擬二進制存儲系統(tǒng)中的‘0’和‘1’，且該材料的高低阻態(tài)可以通過施加不同的電壓信號來快速調節(jié)。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研究，Lanza教授如是說道：氮化硼的結構和石墨極為類似，因此也稱為「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關比。

　　此外，Lanza教授還講到“與傳統(tǒng)的存儲設備相比，氮化硼作為阻變材料的優(yōu)點主要有以下四個方面：一、h-BN是一種穩(wěn)定的絕緣體，在受到電壓的情況下，阻變性能較傳統(tǒng)的3D材料二氧化鉿更加穩(wěn)定(Mario Lanza團隊的研究生吉艷鳳在APL上的論文對此現(xiàn)象進行了深入討論);二、h-BN的化學性質比較穩(wěn)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。

　　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。

　　此后，Lanza教授生動地描述了RRAM是如何工作的。“諸如圖片、文件一類的信息，需要一種很容易的寫入方式，即二進制存儲。比如一張圖片有256個像素點，每個像素點都由一個八位的二進制代碼表示，而每位上的數字均可以用器件的高低阻態(tài)來模擬。因此，每個像素點的存儲將占用八個存儲器件。以此類推，圖片的存儲就可以非常容易的得以實現(xiàn)。

　　與NAND相比，RRAM速度、成本、穩(wěn)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，我們平時所用的閃存盤，例如優(yōu)盤，其存儲單元為晶體管，此類晶體管的柵極具有存儲電子的能力。我們可以通過在源極和漏極之間施加電壓的方式在柵極區(qū)域引入或導出電子，并利用該區(qū)域有無電子這兩種狀態(tài)來代表二進制代碼中的0和1實現(xiàn)信息存儲(其中有電力為0，無電子為1)。但為了迎合器件微縮化的市場需求，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(qū)域用于信息存儲的電子數量越來越少。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(tǒng)的晶體管存儲(NAND)相比，RRAM的存儲速度更快，器件尺寸更小，信息的存儲時間也更長且更安全。最重要的一點是，RRAM所采用的“金屬-絕緣體-金屬”的結構幫助此類器件有效地突破了傳統(tǒng)存儲器件的微縮物理極限。通過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(負壓)導電細絲，使絕緣體的電阻可以在其高低阻態(tài)之間來回切換。而其高低阻態(tài)則可分別用于模擬二進制代碼中的“0”和“1”，進而實現(xiàn)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，由于此類器件中所涉及的導電細絲直徑通常只有幾個納米，RRAM器件有能力將器件的物理尺寸微縮至一個新的量級，從而實現(xiàn)下一代高密度存儲器件的制備。有報道稱，RRAM對于信息存儲可以保存長達十年以上。

　　在談到對未來工作的展望方面，Lanza教授說道，“目前，我們已經證實了h-BN在大尺寸范圍下具有較好的阻變性能，但現(xiàn)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，最終實現(xiàn)納米級別器件的制備。”

　　與國際一流團隊的合作，使得學生站到了學術的最前沿

　　Mario Lanza教授團隊是一個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習和工作過，正是這種多元化的學習經歷，使他認識到國際交流對提升學術能力的重要性。他所領導的團隊與斯坦福、麻省理工、劍橋大學、北大、中科院等全球一流院校都有著緊密的合作關系，為學生提供去國際一流大學實驗室工作和學習的機會，這在碩士研究生階段顯然并不多見。

　　實驗室外門前掛著學生們在國外生活的各種照片和正式發(fā)表的各種論文

　　正是由于這種開放合作的精神，使得學生擁有了更高的視野，所產生的科研成果也是相當豐厚，無論數量還是質量都是非常之高。Mario Lanza團隊自2013年成立以來，共發(fā)表學術論文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。

　　談及自己的學生，Lanza教授難掩自豪之情，他自信地告訴集微網，“雖然我的學生入學時不是最好的，但當他們畢業(yè)的時候，在相同領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出國學習和工作，出國交流會帶來新的想法和理念，融合別人更好的東西來發(fā)展自己。他們都發(fā)表過高水平論文，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工作，于2013年10月加盟李述湯院士領銜的蘇州大學納米與軟物質研究院。他有著豐富的國內外工作經歷，他認為，對于做理論研究的科研工作者來說，無論身處何地，所做的實驗都是相同的，最重要的不同是中國有更好的機會。他直言不諱的表示，“首先，研究經費這是非常重要的一點。作為青年千人計劃中的一員成員，國家和學校都為我們提供了豐厚的資金，讓我們有錢買設備、買材料，支付學生的工資，承擔學生出國的費用;其次，中國的學校有宿舍、有食堂，相同的資金我可以有更多的學生，更大規(guī)模的團隊，雖然中國的網絡等因素對工作效率有一定的影響，但是總體來講，對一個老師來說，在中國每年所能完成的工作量肯定要比在國外時多。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。”