集成电路是我国的战略性、基础性和先导性产业，其中存储芯片是集成电路的三大芯片之一，直接关系到国家的信息安全。然而，现有的主流存储器内存和闪存，因无法兼具高速与高密度特性，难以满足指数型增长的数据存储需要，急需发展下一代海量高速存储技术。
三维相变存储器是目前比较成熟的新型存储技术，然而，其开关单元的组分复杂，通常含有毒性元素，严重制约了三维相变存储器在纳米尺度的微缩以及存储密度的进一步提升。
日前，中科院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、朱敏与合作者在国际权威期刊《科学》发表论文，他们提出了一种极具创新性的单质开关器件，为海量高速存储芯片提供了新方案。
【下一代存储技术的最佳解决方案之一】
数据的爆发式增长，对信息存储和处理带来极大挑战。2020年我国集成电路芯片进口总额为24207亿元，接近石油原油进口额的两倍，其中存储器芯片占比约1/3。
现有计算机系统的存储单元和计算单元是分离的，数据需要在存储器和处理器之间频繁切换，带来功耗和速度的严重损耗，成为限制计算性能提升的关键瓶颈。
内存芯片虽然速度快寿命长，但一断电就没有了；闪存虽可以保存数据，但速度慢寿命短。相比之下，相变存储器具有速度快、功耗低、微缩性能好、可三维集成、与新型工艺兼容等优点。
所谓“相变”，即物质从一种“相”变成另外一种“相”，例如水变成冰，即从液态变成固态。相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间进行可逆转变，被业界认为是下一代存储技术的最佳解决方案之一。2015年，英特尔量产的傲腾芯片采用的正是相变存储器技术，已取得巨大商业价值。
【是一种全新的开关器件】
一个完整相变存储器单元包括一个开关器件和一个存储器件，然而，相变存储器的每次操作，包括最频繁的读操作，均要使用开关器件，因而对开关器件的可靠性和寿命要求极为苛刻。由于英特尔所采用的开关器件只有在材料非晶条件下具有开关性能，科学家会在碲里掺杂多种元素来抑制材料结晶，如掺入一些碳、硅、铝、砷等。因而，目前商用相变存储器使用的开关器件由多种成分构成，容易造成组分不均匀、多次操作后器件损坏等问题。
宋志棠研究员和朱敏研究员系统分析了现有开关材料，发现碲、硒和硫是开关材料必不可少的元素，那么碲、硒和硫是不是决定了开关器件的特性？考虑到硫是粉末、硒熔点过低等缺陷，不适合大规模量产，宋志棠研究员和朱敏研究员提出，只采用单质碲作为开关材料的思路。
他们在电极材料上制备出了60-200纳米大小的碲器件，通过深入的物理分析和结构表征，科研人员阐明了该器件独特的开关机理：关态时，碲处于固态（具有半导体性质），开态时，碲处于液态（具有类金属性质），这两种状态可以在纳秒级电压脉冲下实现高速可逆转变，就像在某种条件下，水可以很快结冰，冰很快溶解为水。
该单质器件开关机理与传统晶体管完全不同，是一种全新的开关器件。由于单质碲组分均一，且不会与电极材料发生反应，也就不会改变其单质特性，从而使器件的一致性与稳定性得到巨大提升。与此同时，组分均一的单质碲，具有优异的微缩特性，可小到几个纳米尺度，从而为海量存储芯片提供了新方案。
意大利国家研究委员会微电子和微系统所教授拉法埃拉·卡拉尔科，同期在《科学》上发表了评论文章，她高度评价：“这一成果是前所未有的，为实现晶态单质开关器件提供了稳健的方法。”
【已形成相对完整的自主知识产权】
三维相变存储器能否在纳米尺度下继续微缩，实现更高的存储密度与寿命，是该技术发展的核心问题。
“我们研制的开关器件使用次数，在实验室已达到1亿次。”宋志棠告诉解放日报·上观新闻记者。理论上，最简单的开关器件可以做成原子级别，但还需要工程化验证。
20年磨一剑。早在2002年，宋志棠就开始研发相变存储器，当时这一技术在国内还是一片空白，纳米技术也刚刚起步。所幸的是，他的团队得到了上海市、中科院、国家基金委、科技部等多方的大力支持。2017年，他们创造了700皮秒相变存储器操作速度的世界纪录，研究成果也在《科学》发表。
朱敏从2009年到2014年在该团队硕博连读，并于2015年至2017年在德国留学。2017年12月，他在宋志棠邀请下重新加入这一团队，他的研究方向正是相变存储器里的开关器件，“我觉得自己的想法在上海微系统所这个平台能得以最快实现。”这位颇有创意的年轻人独辟蹊径，从探寻材料的本质出发，助力团队发现了新原理的开关器件，实现了相变存储技术领域的又一次重大突破。
如今，上海微系统所相变存储器团队，已形成相对完整的自主知识产权，覆盖材料、设计、工艺、测试与应用方案。和国际同行相比，上海微系统所发现的相变材料和开关器件性能具有明显优势，为发展我国的高密度相变存储芯片技术与产品打下了坚实基础。
来源：上观新闻
