復旦微電子學院研制出高密度存算一體化非易失性鐵電單晶疇壁存儲器和晶體管

自戈登·摩爾提出至今，摩爾定律已持續(xù)發(fā)展半個多世紀，芯片集成度不斷提高，性能不斷提升。然而如今器件特征尺寸不斷縮小，特別是接近納米尺度的量級時，出現(xiàn)量子尺寸效應、界面效應、短溝道效應等問題，影響了器件性能。根據(jù)國際半導體技術藍圖預測，對于5nm以下技術節(jié)點工藝，現(xiàn)有存儲技術將不能滿足芯片高性能、低功耗的要求。因此，高密度、低功耗的新型存儲器亟待開發(fā)。當前計算機架構基于“馮?諾依曼”體系，計算與存儲相互分離，二者間的數(shù)據(jù)反復交換和速度差異占據(jù)了大量冗余時間，被稱為“存儲墻”，直接導致整個芯片系統(tǒng)運算速度下降和功耗增加。眾所周知，計算機存儲架構涉及到多種揮發(fā)性和非揮發(fā)性存儲器，其中揮發(fā)性存儲器讀寫速度快（0.2-20ns），但是存儲密度低（幾十Mbit至幾個Gbit）。相較而言，非揮發(fā)性存儲器(3D NAND)存儲密度大（512Gbit-1Tbit），功耗較低，但是單元擦寫速度慢（ms-s），壽命短（~10萬次），制約了計算機和移動通訊設備等整體性能的提升。

近期，復旦大學微電子學院江安全課題組柴曉杰和江均等聯(lián)合韓國首爾大學、英國圣安德魯斯大學、中北大學、中科院物理所、浙江大學和華東師范大學以及濟南晶正公司等研發(fā)出的新型鐵電疇壁存儲器，采用鈮酸鋰單晶薄膜材料與硅基電路低溫鍵合，存儲介質無缺陷、晶界和空洞等，突破了新型多晶薄膜存儲器的單元一致性和高可靠性集成技術的瓶頸。日前，相關研究成果以《與硅底集成和自帶選擇管功能的LiNbO3鐵電單晶疇壁存儲器》（“Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers”）為題發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials），以《非易失性全鐵電場效應管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。 

研究團隊采用納米加工技術在薄膜表面制備出15-400nm大小不等的鐵電存儲單元，通過施加面內(nèi)電場產(chǎn)生平行和反平行的鐵電疇結構，電疇間形成可擦寫的高電導疇壁，可非揮發(fā)地存儲邏輯“0”和“1”的信息，1V下讀出電流最高可達1.7 μA，且具有單向導通特性，開關比大于105。同時證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應用于大規(guī)模交叉棒集成陣列，突破傳統(tǒng)鐵電存儲器高密度發(fā)展的技術瓶頸。存儲器讀寫速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫次數(shù)基本不限，保持時間大于10年，可實現(xiàn)三維堆垛。

此外，團隊在以上存儲器的研究基礎上集成了非易失性的全鐵電場效應晶體管，這種無結的場效應管具有極低的漏電流、超快的操作速度、導通電流可達~110 μA μm-1、亞閾值擺幅接近于零。在源、漏和柵等電脈沖作用下可實現(xiàn)單刀雙擲開關功能，與鐵電存儲器同質集成能夠實現(xiàn)簡單的邏輯運算，實現(xiàn)存算一體化，有望突破“存儲墻”限制，預計可規(guī)?；a(chǎn)。

鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變等效應于一身的人工合成晶體，原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體，國內(nèi)外生產(chǎn)廠商眾多，常應用于聲表面波、電光調(diào)制、激光調(diào)Q、光陀螺、光參量振蕩/放大、光全息存儲等。目前研制成功的6英寸大面積摻雜鈮酸鋰單晶薄膜表面具有原子層平整度，能夠與硅基電路實現(xiàn)低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩(wěn)定，可靠性高。8-12英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發(fā)過程中，預計不久能夠推向市場。

以上存儲技術均為該團隊原創(chuàng)，復旦大學擁有全部自主知識產(chǎn)權，并獲發(fā)明專利10項。承擔該項工作的博士生柴曉杰和項目研究員江鈞為共同第一作者。該項工作得到了洪家旺、張慶華、王杰、黃榮、James F. Scott和Cheol Seong Hwang等國內(nèi)外知名專家的頂力支持和幫助。該項目得到上海市科技創(chuàng)新行動計劃基礎研究項目、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金和國家自然科學基金項目等的專項資助。