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自戈登·摩爾提出至今，摩爾定律已持續發(fā)展半個(gè)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(shí)，出現量子尺寸效應、界面效應、短溝道效應等問(wèn)題，影響了器件性能。根據國際半導體技術(shù)藍圖預測，對于5nm以下技術(shù)節點(diǎn)工藝，現有存儲技術(shù)將不能滿(mǎn)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(kāi)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，二者間的數據反復交換和速度差異占據了大量冗余時(shí)間，被稱(chēng)為“存儲墻”，直接導致整個(gè)芯片系統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(xiě)速度快（0.2-20ns），但是存儲密度低（幾十Mbit至幾個(gè)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(xiě)速度慢（ms-s），壽命短（~10萬(wàn)次），制約了計算機和移動(dòng)通訊設備等整體性能的提升。 近期，復旦大學(xué)微電子學(xué)院江安全課題組柴曉杰和江均等聯(lián)合韓國首爾大學(xué)、英國圣安德魯斯大學(xué)、中北大學(xué)、中科院物理所、浙江大學(xué)和華東師范大學(xué)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(zhì)無(wú)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(shù)的瓶頸。日前，相關(guān)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(chǎng)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(shù)在薄膜表面制備出15-400nm大小不等的鐵電存儲單元，通過(guò)施加面內電場(chǎng)產(chǎn)生平行和反平行的鐵電疇結構，電疇間形成可擦寫(xiě)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(kāi)關(guān)比大于105。同時(shí)證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應用于大規模交叉棒集成陣列，突破傳統鐵電存儲器高密度發(fā)展的技術(shù)瓶頸。存儲器讀寫(xiě)速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫(xiě)次數基本不限，保持時(shí)間大于10年，可實(shí)現三維堆垛。 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(chǎng)效應晶體管，這種無(wú)結的場(chǎng)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(shí)現單刀雙擲開(kāi)關(guān)功能，與鐵電存儲器同質(zhì)集成能夠實(shí)現簡(jiǎn)單的邏輯運算，實(shí)現存算一體化，有望突破“存儲墻”限制，預計可規�；a(chǎn)。 鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線(xiàn)性、光折變等效應于一身的人工合成晶體，原材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、易生長(cháng)成大晶體，國內外生產(chǎn)廠(chǎng)商眾多，常應用于聲表面波、電光調制、激光調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(shí)現低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩定，可靠性高。8-12英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發(fā)過(guò)程中，預計不久能夠推向市場(chǎng)。 以上存儲技術(shù)均為該團隊原創(chuàng )，復旦大學(xué)擁有全部自主知識產(chǎn)權，并獲發(fā)明專(zhuān)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等國內外知名專(zhuān)家的頂力支持和幫助。該項目得到上海市科技創(chuàng )新行動(dòng)計劃基礎研究項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金和國家自然科學(xué)基金項目等的專(zhuān)項資助。 |
