RRAM 或?qū)⒏膶懘鎯?chǔ)器歷史—兼評(píng)國(guó)內(nèi)學(xué)者如何做出一流成果

　　導(dǎo)語：上世紀(jì)中葉單晶硅和半導(dǎo)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(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(chǎn)業(yè)，才有了如今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。全世界都在尋找更優(yōu)質(zhì)半導(dǎo)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(chǔ)器的發(fā)展方向。

　　三維(3D)材料以其實(shí)用性好，加工簡(jiǎn)便及成本低廉等特點(diǎn)一直在各大行業(yè)的占據(jù)著主導(dǎo)地位，而無論在科研界還是工業(yè)界，人們對(duì)二維材料的研究與應(yīng)用卻始終屈指可數(shù)。我們知道所有物質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(huì)怎樣?這是一個(gè)從來沒有人關(guān)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(duì)電子器件性能巨大的改善作用，從而引發(fā)了科學(xué)屆對(duì)二維材料的探索熱潮。

　　國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)首次提出并驗(yàn)證了一種新型的基于二維材料的存儲(chǔ)器件

　　今年年初，在美國(guó)舊金山召開的IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議(IEDM)上，一篇由美國(guó)斯坦福大學(xué)和蘇州大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)布，闡述二維阻變式存儲(chǔ)器的論文引起了業(yè)內(nèi)的極大關(guān)注。

　　該阻變式存儲(chǔ)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(jù)我們所知，這是國(guó)內(nèi)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(yīng)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(xué)Mario Lanza團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)隸屬于蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)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(wǎng)介紹：隨著社會(huì)信息化的不斷推進(jìn)，無論是手機(jī)，電腦還是汽車都會(huì)越來越多的使用到信息存儲(chǔ)設(shè)備。另一方面，為了處理不斷膨脹的信息量，存儲(chǔ)器尺寸已經(jīng)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(gè)切實(shí)可行的方案。

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

　　利用六方氮化硼的阻變性能來模擬二進(jìn)制代碼中的“0”和“1”

　　Mario Lanza團(tuán)隊(duì)的研究生潘成斌對(duì)該類新型存儲(chǔ)器的工作原理進(jìn)行了解釋，“簡(jiǎn)單來說，我們做的是一種阻變存儲(chǔ)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(jìn)制存儲(chǔ)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(hào)來快速調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)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(guān)比。

　　此外，Lanza教授還講到“與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備相比，氮化硼作為阻變材料的優(yōu)點(diǎn)主要有以下四個(gè)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(tuán)隊(duì)的研究生吉艷鳳在APL上的論文對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了深入討論);二、h-BN的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不易于其相鄰層發(fā)生反應(yīng);三、h-BN導(dǎo)熱系數(shù)高，有利于器件散熱，延長(zhǎng)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(chǔ)器件提供了可能。下圖為Mario Lanza 課題組所制備的Ti/h-BN/Cu結(jié)構(gòu)RRAM器件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)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(jìn)制存儲(chǔ)。比如一張圖片有256個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)都由一個(gè)八位的二進(jìn)制代碼表示，而每位上的數(shù)字均可以用器件的高低阻態(tài)來模擬。因此，每個(gè)像素點(diǎn)的存儲(chǔ)將占用八個(gè)存儲(chǔ)器件。以此類推，圖片的存儲(chǔ)就可以非常容易的得以實(shí)現(xiàn)。

　　與NAND相比，RRAM速度、成本、穩(wěn)定性更勝一籌

　　在RRAM存儲(chǔ)器件與NAND存取器件的對(duì)比方面，Lanza教授講到，我們平時(shí)所用的閃存盤，例如優(yōu)盤，其存儲(chǔ)單元為晶體管，此類晶體管的柵極具有存儲(chǔ)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?qū)С鲭娮樱⒗迷搮^(qū)域有無電子這兩種狀態(tài)來代表二進(jìn)制代碼中的0和1實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)(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(chǎng)需求，存儲(chǔ)器中所用晶體管的體積不斷減小，這也導(dǎo)致了晶體管中柵極區(qū)域用于信息存儲(chǔ)的電子數(shù)量越來越少。這不僅使得信息的讀取更容易出錯(cuò)，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(chǔ)(NAND)相比，RRAM的存儲(chǔ)速度更快，器件尺寸更小，信息的存儲(chǔ)時(shí)間也更長(zhǎng)且更安全。最重要的一點(diǎn)是，RRAM所采用的“金屬-絕緣體-金屬”的結(jié)構(gòu)幫助此類器件有效地突破了傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(fù)壓)導(dǎo)電細(xì)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(jìn)制代碼中的“0”和“1”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。

　　與先前的三端結(jié)構(gòu)相比，RRAM所用的兩端結(jié)構(gòu)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(dǎo)電細(xì)絲直徑通常只有幾個(gè)納米，RRAM器件有能力將器件的物理尺寸微縮至一個(gè)新的量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)下一代高密度存儲(chǔ)器件的制備。有報(bào)道稱，RRAM對(duì)于信息存儲(chǔ)可以保存長(zhǎng)達(dá)十年以上。

　　在談到對(duì)未來工作的展望方面，Lanza教授說道，“目前，我們已經(jīng)證實(shí)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(jì)劃是對(duì)器件尺寸進(jìn)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(shí)現(xiàn)納米級(jí)別器件的制備。”

　　與國(guó)際一流團(tuán)隊(duì)的合作，使得學(xué)生站到了學(xué)術(shù)的最前沿

　　Mario Lanza教授團(tuán)隊(duì)是一個(gè)非常具有國(guó)際化視野研究集體。Lanza教授本人曾在西班牙、德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等不同的國(guó)家學(xué)習(xí)和工作過，正是這種多元化的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，使他認(rèn)識(shí)到國(guó)際交流對(duì)提升學(xué)術(shù)能力的重要性。他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與斯坦福、麻省理工、劍橋大學(xué)、北大、中科院等全球一流院校都有著緊密的合作關(guān)系，為學(xué)生提供去國(guó)際一流大學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作和學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，這在碩士研究生階段顯然并不多見。

　　實(shí)驗(yàn)室外門前掛著學(xué)生們?cè)趪?guó)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(xué)生擁有了更高的視野，所產(chǎn)生的科研成果也是相當(dāng)豐厚，無論數(shù)量還是質(zhì)量都是非常之高。Mario Lanza團(tuán)隊(duì)自2013年成立以來，共發(fā)表學(xué)術(shù)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(xué)生，Lanza教授難掩自豪之情，他自信地告訴集微網(wǎng)，“雖然我的學(xué)生入學(xué)時(shí)不是最好的，但當(dāng)他們畢業(yè)的時(shí)候，在相同領(lǐng)域的碩士生中一定是全國(guó)最優(yōu)秀的。組里幾乎所有的成員都有機(jī)會(huì)出國(guó)學(xué)習(xí)和工作，出國(guó)交流會(huì)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(guó)，在北大讀博士后，2012年在北大博士后出站后前往美國(guó)斯坦福大學(xué)工作，于2013年10月加盟李述湯院士領(lǐng)銜的蘇州大學(xué)納米與軟物質(zhì)研究院。他有著豐富的國(guó)內(nèi)外工作經(jīng)歷，他認(rèn)為，對(duì)于做理論研究的科研工作者來說，無論身處何地，所做的實(shí)驗(yàn)都是相同的，最重要的不同是中國(guó)有更好的機(jī)會(huì)。他直言不諱的表示，“首先，研究經(jīng)費(fèi)這是非常重要的一點(diǎn)。作為青年千人計(jì)劃中的一員成員，國(guó)家和學(xué)校都為我們提供了豐厚的資金，讓我們有錢買設(shè)備、買材料，支付學(xué)生的工資，承擔(dān)學(xué)生出國(guó)的費(fèi)用;其次，中國(guó)的學(xué)校有宿舍、有食堂，相同的資金我可以有更多的學(xué)生，更大規(guī)模的團(tuán)隊(duì)，雖然中國(guó)的網(wǎng)絡(luò)等因素對(duì)工作效率有一定的影響，但是總體來講，對(duì)一個(gè)老師來說，在中國(guó)每年所能完成的工作量肯定要比在國(guó)外時(shí)多。此外，Lanza教授還提到，在中國(guó)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(jìn)。”