RRAM 或将改写存储器历史—兼评国内学者如何做出

  导语:上世纪中叶单晶硅和半导体晶体管的发明以及硅集成电路的研制成功,为后来的科技进步奠定了坚实的基础。随后,科研工作者们不断探索,先后将多种新型材料引入该产业,才有了如今半导体产业的蓬勃发展。全世界都在寻找更优质半导体材料的道路上不曾止步,而一种新型二维材料的出现,或指明了未来

  三维(3D)材料以其实用性好,加工简便及成本低廉等特点一直在各大行业的占据着主导地位,而无论在科研界还是工业界,人们对二维材料的研究与应用却始终屈指可数。我们知道所有物质的结构都是由原子在三维空间堆叠而成的,但如果把原子平铺到一层会怎样?这是一个从来没有人关注过的问题。直到2004年石墨烯的出现让人们第一次看到了二维材料对电子器件性能巨大的改善作用,从而引发了科学届对二维材料的探索热潮。

  今年年初,在美国旧金山召开的IEEE国际电子元件会议(IEDM)上,一篇由美国斯坦福大学和苏州大学科研团队联合发布,阐述二维阻变式存储器的论文引起了业内的极大关注。

  该阻变式存储器件(RRAM)的功能层为一种新型的二维功能材料 六方氮化硼(h-BN)。据我们所知,这是国内首次制备出基于二维材料的RRAM器件。此外,该材料在限制电流较低的情况下还表现出了阀值阻变特性,从而第一次证明了双极向阻变及阀值阻变现象可以在二维材料中共存,为将来此材料的应用提供了更多的可能性。

  近日,记者走访了此论文的合作方之一苏州大学Mario Lanza团队。该团队隶属于苏州大学功能纳米与软物质研究院,由中组部“青年千人”Lanza教授牵头组建,现有16名成员。Lanza教授向集微网介绍:随着社会信息化的不断推进,无论是手机,电脑还是汽车都会越来越多的使用到信息存储设备。另一方面,为了处理不断膨胀的信息量,存储器尺寸已经逐渐地微缩至其物理极限。而我们所提出及制备的基于二维材料的忆阻器将有效地突破这一极限,为下一代记忆存取器件的发展提供了一个切实可行的方案。

  Mario Lanza团队的研究生潘成斌对该类新型存储器的工作原理进行了解释,“简单来说,我们做的是一种阻变存储器(RRAM),它的基本原理是利用某种材料的高低阻态来模拟二进制存储系统中的0和1,且该材料的高低阻态可以通过施加不同的电压信号来快速调节。而我们的主要工作正是从大量的备选材料中找出阻变性能最优的材料。

  至于为什么选择六方氮化硼作为新型阻变材料来研究,Lanza教授如是说道:氮化硼的结构和石墨极为类似,因此也称为「白石墨」。具有由氮原子和硼原子交替组成的平面结构。其结构和石墨烯类似,呈六角蜂窝状。但是与石墨烯截然不同的是,它是一种具有阻变性能的优良绝缘体,这也保证了基于该材料的忆阻器具有足够大的器件开关比。

  此外,Lanza教授还讲到“与传统的存储设备相比,氮化硼作为阻变材料的优点主要有以下四个方面:一、h-BN是一种稳定的绝缘体,在受到电压的情况下,阻变性能较传统的3D材料二氧化铪更加稳定(Mario Lanza团队的研究生吉艳凤在APL上的论文对此现象进行了深入讨论);二、h-BN的化学性质比较稳定,不易于其相邻层发生反应;三、h-BN导热系数高,有利于器件散热,延长器件使用寿命;四、h-BN作为一种二维材料,具有二维材料固有的柔性和透光性,为将来制备下一代柔性透光存储器件提供了可能。下图为Mario Lanza 课题组所制备的Ti/h-BN/Cu结构RRAM器件的结构示意图,透射电子显微镜截面图及其特征阻变曲线。

  Mario Lanza 课题组制备的Ti/h-BN/Cu结构RRAM器件的示意图,透射电子显微镜截面图及其其特征阻变曲线。

  此后,Lanza教授生动地描述了RRAM是如何工作的。“诸如图片、文件一类的信息,需要一种很容易的写入方式,即二进制存储。比如一张图片有256个像素点,每个像素点都由一个八位的二进制代码表示,而每位上的数字均可以用器件的高低阻态来模拟。因此,每个像素点的存储将占用八个存储器件。以此类推,图片的存储就可以非常容易的得以实现。

  在RRAM存储器件与NAND存取器件的对比方面,Lanza教授讲到,我们平时所用的闪存盘,例如优盘,其存储单元为晶体管,此类晶体管的栅极具有存储电子的能力。我们可以通过在源极和漏极之间施加电压的方式在栅极区域引入或导出电子,并利用该区域有无电子这两种状态来代表二进制代码中的0和1实现信息存储(其中有电力为0,无电子为1)。但为了迎合器件微缩化的市场需求,存储器中所用晶体管的体积不断减小,这也导致了晶体管中栅极区域用于信息存储的电子数量越来越少。这不仅使得信息的读取更容易出错,也极大地增大的信息丢失的可能性。

  此外,与传统的晶体管存储(NAND)相比,RRAM的存储速度更快,器件尺寸更小,信息的存储时间也更长且更安全。最重要的一点是,RRAM所采用的“金属-绝缘体-金属”的结构帮助此类器件有效地突破了传统存储器件的微缩物理极限。通过在两端的金属电极之间施加电压,可以轻易地在绝缘体中引入(正压)或断开(负压)导电细丝,使绝缘体的电阻可以在其高低阻态之间来回切换。而其高低阻态则可分别用于模拟二进制代码中的“0”和“1”,进而实现信息的存储。

  与先前的三端结构相比,RRAM所用的两端结构大大缩小的器件单元的体积。此外,由于此类器件中所涉及的导电细丝直径通常只有几个纳米,RRAM器件有能力将器件的物理尺寸微缩至一个新的量级,从而实现下一代高密度存储器件的制备。有报道称,RRAM对于信息存储可以保存长达十年以上。

  在谈到对未来工作的展望方面,Lanza教授说道,“目前,我们已经证实了h-BN在大尺寸范围下具有较好的阻变性能,但现在所制备的器件尺寸仍然偏大(100微米*100微米)。我们的下一步计划是对器件尺寸进行优化,证明h-BM材料在微缩的情况下仍然能保持很好的阻变性,最终实现纳米级别器件的制备。”

  Mario Lanza教授团队是一个非常具有国际化视野研究集体。Lanza教授本人曾在西班牙、德国、美国、中国等不同的国家学习和工作过,正是这种多元化的学习经历,使他认识到国际交流对提升学术能力的重要性。他所领导的团队与斯坦福、麻省理工、剑桥大学、北大、中科院等全球一流院校都有着紧密的合作关系,为学生提供去国际一流大学实验室工作和学习的机会,这在硕士研究生阶段显然并不多见。

  谈及自己的学生,Lanza教授难掩自豪之情,他自信地告诉集微网,“虽然我的学生入学时不是最好的,但当他们毕业的时候,在相同领域的硕士生中一定是全国最优秀的。组里几乎所有的成员都有机会出国学习和工作,出国交流会带来新的想法和理念,融合别人更好的东西来发展自己。他们都发表过高水平论文,英文也都非常棒。”

  Lanza教授在西班牙出生并在西班牙读到博士,2009年9月第一次来到中国,在北大读博士后,2012年在北大博士后出站后前往美国斯坦福大学工作,于2013年10月加盟李述汤院士领衔的苏州大学纳米与软物质研究院。他有着丰富的国内外工作经历,他认为,对于做理论研究的科研工作者来说,无论身处何地,所做的实验都是相同的,最重要的不同是中国有更好的机会。他直言不讳的表示,“首先,研究经费这是非常重要的一点。作为青年千人计划中的一员成员,国家和学校都为我们提供了丰厚的资金,让我们有钱买设备、买材料,支付学生的工资,承担学生出国的费用;其次,中国的学校有宿舍、有食堂,相同的资金我可以有更多的学生,更大规模的团队,虽然中国的网络等因素对工作效率有一定的影响,但是总体来讲,对一个老师来说,在中国每年所能完成的工作量肯定要比在国外时多。此外,Lanza教授还提到,在中国资源很多,但是在如何更有效利用这些资源方面则还需改进。”

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