集成電路是我國的戰略性、基礎性和先導性產業，其中存儲芯片是集成電路的三大芯片之一，直接關系到國家的信息安全。然而，現有的主流存儲器內存和閃存，因無法兼具高速與高密度特性，難以滿足指數型增長的數據存儲需要，急需發展下一代海量高速存儲技術。

三維相變存儲器是目前比較成熟的新型存儲技術，然而，其開關單元的組分復雜，通常含有毒性元素，嚴重制約了三維相變存儲器在納米尺度的微縮以及存儲密度的進一步提升。

日前，中科院上海微系統與信息技術研究所宋志棠、朱敏與合作者在國際權威期刊《科學》發表論文，他們提出了一種極具創新性的單質開關器件，為海量高速存儲芯片提供了新方案。

【下一代存儲技術的最佳解決方案之一】

數據的爆發式增長，對信息存儲和處理帶來極大挑戰。2020年我國集成電路芯片進口總額為24207億元，接近石油原油進口額的兩倍，其中存儲器芯片占比約1/3。

現有計算機系統的存儲單元和計算單元是分離的，數據需要在存儲器和處理器之間頻繁切換，帶來功耗和速度的嚴重損耗，成為限制計算性能提升的關鍵瓶頸。

內存芯片雖然速度快壽命長，但一斷電就沒有了；閃存雖可以保存數據，但速度慢壽命短。相比之下，相變存儲器具有速度快、功耗低、微縮性能好、可三維集成、與新型工藝兼容等優點。

所謂“相變”，即物質從一種“相”變成另外一種“相”，例如水變成冰，即從液態變成固態。相變存儲器就是利用特殊材料在晶態和非晶態之間進行可逆轉變，被業界認為是下一代存儲技術的最佳解決方案之一。2015年，英特爾量產的傲騰芯片采用的正是相變存儲器技術，已取得巨大商業價值。

【是一種全新的開關器件】

一個完整相變存儲器單元包括一個開關器件和一個存儲器件，然而，相變存儲器的每次操作，包括最頻繁的讀操作，均要使用開關器件，因而對開關器件的可靠性和壽命要求極為苛刻。由于英特爾所采用的開關器件只有在材料非晶條件下具有開關性能，科學家會在碲里摻雜多種元素來抑制材料結晶，如摻入一些碳、硅、鋁、砷等。因而，目前商用相變存儲器使用的開關器件由多種成分構成，容易造成組分不均勻、多次操作后器件損壞等問題。

宋志棠研究員和朱敏研究員系統分析了現有開關材料，發現碲、硒和硫是開關材料必不可少的元素，那么碲、硒和硫是不是決定了開關器件的特性？考慮到硫是粉末、硒熔點過低等缺陷，不適合大規模量產，宋志棠研究員和朱敏研究員提出，只采用單質碲作為開關材料的思路。

他們在電極材料上制備出了60-200納米大小的碲器件，通過深入的物理分析和結構表征，科研人員闡明了該器件獨特的開關機理：關態時，碲處于固態（具有半導體性質），開態時，碲處于液態（具有類金屬性質），這兩種狀態可以在納秒級電壓脈沖下實現高速可逆轉變，就像在某種條件下，水可以很快結冰，冰很快溶解為水。

該單質器件開關機理與傳統晶體管完全不同，是一種全新的開關器件。由于單質碲組分均一，且不會與電極材料發生反應，也就不會改變其單質特性，從而使器件的一致性與穩定性得到巨大提升。與此同時，組分均一的單質碲，具有優異的微縮特性，可小到幾個納米尺度，從而為海量存儲芯片提供了新方案。

意大利國家研究委員會微電子和微系統所教授拉法埃拉·卡拉爾科，同期在《科學》上發表了評論文章，她高度評價：“這一成果是前所未有的，為實現晶態單質開關器件提供了穩健的方法。”

【已形成相對完整的自主知識產權】

三維相變存儲器能否在納米尺度下繼續微縮，實現更高的存儲密度與壽命，是該技術發展的核心問題。

“我們研制的開關器件使用次數，在實驗室已達到1億次。”宋志棠告訴解放日報·上觀新聞記者。理論上，最簡單的開關器件可以做成原子級別，但還需要工程化驗證。

20年磨一劍。早在2002年，宋志棠就開始研發相變存儲器，當時這一技術在國內還是一片空白，納米技術也剛剛起步。所幸的是，他的團隊得到了上海市、中科院、國家基金委、科技部等多方的大力支持。2017年，他們創造了700皮秒相變存儲器操作速度的世界紀錄，研究成果也在《科學》發表。

朱敏從2009年到2014年在該團隊碩博連讀，并于2015年至2017年在德國留學。2017年12月，他在宋志棠邀請下重新加入這一團隊，他的研究方向正是相變存儲器里的開關器件，“我覺得自己的想法在上海微系統所這個平臺能得以最快實現。”這位頗有創意的年輕人獨辟蹊徑，從探尋材料的本質出發，助力團隊發現了新原理的開關器件，實現了相變存儲技術領域的又一次重大突破。

如今，上海微系統所相變存儲器團隊，已形成相對完整的自主知識產權，覆蓋材料、設計、工藝、測試與應用方案。和國際同行相比，上海微系統所發現的相變材料和開關器件性能具有明顯優勢，為發展我國的高密度相變存儲芯片技術與產品打下了堅實基礎。

來源：上觀新聞