微電子學院江安全課題組研製出具有產業化前景的高密度存算一體化...

2020-11-26 復旦大學

自戈登·摩爾提出至今，摩爾定律已持續發展半個多世紀，晶片集成度不斷提高，性能不斷提升。然而如今器件特徵尺寸不斷縮小，特別是接近納米尺度的量級時，出現量子尺寸效應、界面效應、短溝道效應等問題，影響了器件性能。根據國際半導體技術藍圖預測，對於5nm以下技術節點工藝，現有存儲技術將不能滿足晶片高性能、低功耗的要求。因此，高密度、低功耗的新型存儲器亟待開發。當前計算機架構基於「馮•諾依曼」體系，計算與存儲相互分離，二者間的數據反覆交換和速度差異佔據了大量冗餘時間，被稱為「存儲牆」，直接導致整個晶片系統運算速度下降和功耗增加。眾所周知，計算機存儲架構涉及到多種揮發性和非揮發性存儲器，其中揮發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備等整體性能的提升。

近期，復旦大學微電子學院江安全課題組柴曉傑和江均等聯合韓國首爾大學、英國聖安德魯斯大學、中北大學、中科院物理所、浙江大學和華東師範大學以及濟南晶正公司等研發出的新型鐵電疇壁存儲器，採用鈮酸鋰單晶薄膜材料與矽基電路低溫鍵合（圖1），存儲介質無缺陷、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的瓶頸。日前，相關研究成果以《與矽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」）為題發表於《自然-材料》（Nature Materials），以《非易失性全鐵電場效應管》（「Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors」）為題發表於《自然-通訊》（Nature Communications）。

圖1 鈮酸鋰薄膜與矽基電路的晶圓低溫鍵合（上）和三維堆垛方案（下）。

研究團隊採用納米加工技術在薄膜表面製備出15-400nm大小不等的鐵電存儲單元（圖2），通過施加面內電場產生平行和反平行的鐵電疇結構，電疇間形成可擦寫的高電導疇壁，可非揮發地存儲邏輯「0」和「1」的信息，1V下讀出電流最高可達1.7 μA，且具有單向導通特性，開關比大於105。同時證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應用於大規模交叉棒集成陣列，突破傳統鐵電存儲器高密度發展的技術瓶頸。存儲器讀寫速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫次數基本不限，保持時間大於10年，可實現三維堆垛（圖1）。

圖2 鈮酸鋰(LNO)存儲單元與左右電極(L&R)接觸的掃描電鏡成像（上左）；不同尺寸存儲單元的電流-電壓曲線（上右）；存儲單元的原子力形貌像和面內電疇的壓電成像（下）。

此外，團隊在以上存儲器的研究基礎上集成了非易失性的全鐵電場效應電晶體（圖3），這種無結的場效應管具有極低的漏電流、超快的操作速度、導通電流可達~110 μA μm-1、亞閾值擺幅接近於零。在源、漏和柵等電脈衝作用下可實現單刀雙擲開關功能，與鐵電存儲器同質集成能夠實現簡單的邏輯運算，實現存算一體化，有望突破「存儲牆」限制，預計可規模化生產。

圖3 鐵電疇在源(D)、漏(S)和柵(G)電壓控制下反轉所形成疇壁的相場模擬結果（左）；源電壓(Vd)作用下柵脈衝電壓(Vg)觸發的非揮發開關電流(Ig)（右）。

鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變等效應於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，國內外生產廠商眾多，常應用於聲表面波、電光調製、雷射調Q、光陀螺、光參量振蕩/放大、光全息存儲等。目前研製成功的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，能夠與矽基電路實現低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩定，可靠性高。8-12英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發過程中，預計不久能夠推向市場。

以上存儲技術均為該團隊原創，復旦大學擁有全部自主智慧財產權，並獲發明專利10項。承擔該項工作的博士生柴曉傑和項目研究員江鈞為共同第一作者（https://fram.fudan.edu.cn/main.htm）。該項工作得到了洪家旺、張慶華、王傑、黃榮、James F. Scott和Cheol Seong Hwang等國內外知名專家的頂力支持和幫助。該項目得到上海市科技創新行動計劃基礎研究項目、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金和國家自然科學基金項目等的專項資助。

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