復(fù)旦微電子學(xué)院研制出高密度存算一體化非易失性鐵電單晶疇壁存儲器和晶體管

自戈登·摩爾提出至今，摩爾定律已持續(xù)發(fā)展半個多世紀，芯片集成度不斷提高，性能不斷提升。然而如今器件特征尺寸不斷縮小，特別是接近納米尺度的量級時，出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、短溝道效應(yīng)等問題，影響了器件性能。根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖預(yù)測，對于5nm以下技術(shù)節(jié)點工藝，現(xiàn)有存儲技術(shù)將不能滿足芯片高性能、低功耗的要求。因此，高密度、低功耗的新型存儲器亟待開發(fā)。當(dāng)前計算機架構(gòu)基于“馮?諾依曼”體系，計算與存儲相互分離，二者間的數(shù)據(jù)反復(fù)交換和速度差異占據(jù)了大量冗余時間，被稱為“存儲墻”，直接導(dǎo)致整個芯片系統(tǒng)運算速度下降和功耗增加。眾所周知，計算機存儲架構(gòu)涉及到多種揮發(fā)性和非揮發(fā)性存儲器，其中揮發(fā)性存儲器讀寫速度快（0.2-20ns），但是存儲密度低（幾十Mbit至幾個Gbit）。相較而言，非揮發(fā)性存儲器(3D NAND)存儲密度大（512Gbit-1Tbit），功耗較低，但是單元擦寫速度慢（ms-s），壽命短（~10萬次），制約了計算機和移動通訊設(shè)備等整體性能的提升。

近期，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院江安全課題組柴曉杰和江均等聯(lián)合韓國首爾大學(xué)、英國圣安德魯斯大學(xué)、中北大學(xué)、中科院物理所、浙江大學(xué)和華東師范大學(xué)以及濟南晶正公司等研發(fā)出的新型鐵電疇壁存儲器，采用鈮酸鋰單晶薄膜材料與硅基電路低溫鍵合，存儲介質(zhì)無缺陷、晶界和空洞等，突破了新型多晶薄膜存儲器的單元一致性和高可靠性集成技術(shù)的瓶頸。日前，相關(guān)研究成果以《與硅底集成和自帶選擇管功能的LiNbO3鐵電單晶疇壁存儲器》（“Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers”）為題發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials），以《非易失性全鐵電場效應(yīng)管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。 

研究團隊采用納米加工技術(shù)在薄膜表面制備出15-400nm大小不等的鐵電存儲單元，通過施加面內(nèi)電場產(chǎn)生平行和反平行的鐵電疇結(jié)構(gòu)，電疇間形成可擦寫的高電導(dǎo)疇壁，可非揮發(fā)地存儲邏輯“0”和“1”的信息，1V下讀出電流最高可達1.7 μA，且具有單向?qū)ㄌ匦裕_關(guān)比大于105。同時證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應(yīng)用于大規(guī)模交叉棒集成陣列，突破傳統(tǒng)鐵電存儲器高密度發(fā)展的技術(shù)瓶頸。存儲器讀寫速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫次數(shù)基本不限，保持時間大于10年，可實現(xiàn)三維堆垛。

此外，團隊在以上存儲器的研究基礎(chǔ)上集成了非易失性的全鐵電場效應(yīng)晶體管，這種無結(jié)的場效應(yīng)管具有極低的漏電流、超快的操作速度、導(dǎo)通電流可達~110 μA μm-1、亞閾值擺幅接近于零。在源、漏和柵等電脈沖作用下可實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)功能，與鐵電存儲器同質(zhì)集成能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的邏輯運算，實現(xiàn)存算一體化，有望突破“存儲墻”限制，預(yù)計可規(guī)模化生產(chǎn)。

鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變等效應(yīng)于一身的人工合成晶體，原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體，國內(nèi)外生產(chǎn)廠商眾多，常應(yīng)用于聲表面波、電光調(diào)制、激光調(diào)Q、光陀螺、光參量振蕩/放大、光全息存儲等。目前研制成功的6英寸大面積摻雜鈮酸鋰單晶薄膜表面具有原子層平整度，能夠與硅基電路實現(xiàn)低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩(wěn)定，可靠性高。8-12英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發(fā)過程中，預(yù)計不久能夠推向市場。

以上存儲技術(shù)均為該團隊原創(chuàng)，復(fù)旦大學(xué)擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)，并獲發(fā)明專利10項。承擔(dān)該項工作的博士生柴曉杰和項目研究員江鈞為共同第一作者。該項工作得到了洪家旺、張慶華、王杰、黃榮、James F. Scott和Cheol Seong Hwang等國內(nèi)外知名專家的頂力支持和幫助。該項目得到上海市科技創(chuàng)新行動計劃基礎(chǔ)研究項目、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金和國家自然科學(xué)基金項目等的專項資助。