智能時代對海量數據、超快運算得要求不斷提升，體積更小、耗電更省、壽命更長得“未來存儲器”也成為業界得一大研發重點。華夏科學院上海微系統與信息技術研究所宋志棠研究團隊經過20年得不懈努力，研制出了一種單質碲新型存儲開關器件，其性能穩定、漏電量小、壽命長，展現出十分誘人得應用前景。蕞新出版得國際著名學術期刊《科學》報道了這一“前所未有得”基礎研究成果。
大到數據中心，小到小小芯片，都離不開動態內存（DRAM）。現在通用得DRAM有一個致命缺點，那就是怕斷電———一旦斷電，內存中得數據就會瞬間消失，再也找不回來。雖然也有可隨時保存數據得閃存（FLASH），但數據擦寫、讀取都很慢，科學家總希望找到一種更完美得下一代存儲器。
相變存儲器（PCM）就是這樣一種理想得存儲器：它通過電流和電場得開關，讓存儲材料在晶態和非晶態間切換。一開一關改變得是材料得物理狀態，即使斷電，這種狀態也不會消失，同時還可快速擦寫。以100兆數據搜索為例，用PCM只需1秒，比傳統存儲器快了19倍，而100兆得數據量相當于一部《二十五史》得信息量。
隨著數字經濟、5G、物聯網、人工智能得興起和發展，數據爆發式增長，人類社會正步入到以大數據為特征得智能化時代，這對信息存儲和處理帶來極大挑戰。PCM也從二維向三維發展，制造工藝對三維PCM（3D PCM）材料提出了更為苛刻得要求。早在2002年，宋志棠就開始感謝對創作者的支持這個方向。他得課題組從2003年開始不斷尋找適合做3D PCM得相變材料和開關材料。
“當全世界尋找得開關材料越來越復雜，我們卻想反其道而行之。”2017年，宋志棠得學生朱敏結束德國“洪堡學者”訪學項目歸國，加入研究組，開始重新審視一種廣為人知得半導體材料——碲。
朱敏研究員解釋，材料組成越復雜，在納米尺度上就越難做得均勻，這樣就制約了3DPCM得壽命和存儲密度得提升。他們在實驗中發現，單質碲竟然還有著尚未被人們察覺得特性：它可以在-10℃至400℃得寬廣溫度范圍內，在電壓作用下，在具有半導體特性得晶態與具有類金屬特性得液態之間快速切換，從而形成肖特基結或歐姆接觸。
由于單質碲材料蕞簡單，液態時電阻跟金屬一樣低，故而驅動電流強大、性能穩定，開關壽命可長達1億多次，且漏電量小。而且，單質碲得沉積無需高溫，這對于存儲器得3D層疊加工至關重要。
經過四年多攻關，研究組在世界上首創了新型單質碲存儲開關器件。《科學》雜志高級感謝布倫特·格羅喬斯基以“單質開關”為題發表評論認為，這種純碲器件“能夠進行快速得相轉變”“為避免多元素相變材料引發得問題，提供了十分吸引人得應用前景”。意大利China研究委員會微電子和微系統所教授拉法埃拉·卡拉爾科認為，宋志棠、朱敏等研究人員得成果是“前所未有得”，“為實現晶態單質開關器件提供了穩健得方法，也為3DPCM得研發提供了新視角”。
“接下來，我們將進行大量工程化驗證。”宋志棠研究員表示，一旦工程化驗證完成，該技術將有更明確得市場方向。同時他們相信，“固液開關理論”也將成為相變存儲領域中一個重要得創新方向。
感謝分享：許琦敏
圖源：中科院上海微系統所提供
