当下存储器的困境

　　自戈登·摩尔提出至今，摩尔定律已持续发展半个多世纪，在这样的趋势下,芯片集成度不断提高，性能不断提升。然而如今器件特征尺寸不断缩小，特别是接近纳米尺度的量级，量子尺寸效应、界面效应、短沟道效应等问题地出现，严重地影响了器件性能。根据国际半导体技术蓝图预测，对于5nm以下技术节点工艺，现有存储技术将不能满足芯片高性能、低功耗的要求，亟待开发出高密度、低功耗的新型存储器。当前计算机架构基于“冯•诺依曼”体系，计算与存储相互分离，二者间的数据反复交换和速度差异占据了大量冗余时间，称之为“存储墙”，直接导致整个芯片系统运算速度下降和功耗增加。众所周知，计算机存储架构涉及到多种挥发性和非挥发性存储器，其中挥发性存储器读写速度快（0.2-20ns），但是存储密度低（几十Mbit至几个Gbit）。相比而言，非挥发性存储器(3D NAND)存储密度大（512Gbit-1Tbit），功耗较低，但是单元擦写速度慢（ms-s），寿命短（~10万次），严重地制约了计算机和移动通讯设备等整体性能的提升。

铁电畴壁存储器的优势

　　近期，微电子学院江安全课题组博士柴晓杰和江均等联合韩国首尔大学、英国圣安德鲁斯大学、中北大学、中科院物理所、浙江大学和华东师范大学以及济南晶正公司等研发出的新型铁电畴壁存储器，采用铌酸锂单晶薄膜材料与硅基电路低温键合（图1），存储介质无缺陷、晶界和空洞等，突破了新型多晶薄膜存储器的单元一致性和高可靠性集成技术的瓶颈。采用纳米加工技术在薄膜表面制备出15-400nm大小不等的铁电存储单元（图2），通过施加面内电场产生平行和反平行的铁电畴结构，电畴间形成可擦写的高电导畴壁，可非挥发地存储逻辑“0”和“1”的信息，1V下读出电流最高可达1.7 mA，且具有单向导通特性，开关比大于10⁵。同时证明了存储单元的表面层具备天然选择管的功能，可应用于大规模交叉棒集成阵列，突破传统铁电存储器高密度发展的技术瓶颈。存储器读写速度可达纳秒甚至皮秒量级，读写次数基本不限，保持时间大于10年，可实现三维堆垛（图1）。此外，该团队在以上存储器的研究基础上集成了非易失性的全铁电场效应晶体管（图3），这种无结的场效应管具有极低的漏电流、超快的操作速度、导通电流可达~110 μA μm⁻¹、亚阈值摆幅接近于零。在源、漏和栅等电脉冲作用下可实现单刀双掷开关功能，与铁电存储器同质集成能够实现简单的逻辑运算，实现存算一体化，有望突破“存储墙”限制，预计可规模化生产。该项工作得到了洪家旺、张庆华、王杰、黄荣、James F. Scott和Cheol Seong Hwang等国内外知名专家的顶力支持和帮助。

图1 上，铌酸锂薄膜与硅基电路的晶圆低温键合；下， 三维堆垛方案。

图2 上左，铌酸锂(LNO)存储单元与左右电极(L&R)接触的扫描电镜成像；上右，不同尺寸存储单元的电流-电压曲线；下，存储单元的原子力形貌像和面内电畴的压电成像。

图3 左，铁电畴在源(D)、漏(S)和栅(G)电压控制下反转所形成畴壁的相场模拟结果；右，源电压(V_d)作用下栅脉冲电压(V_g)触发的非挥发开关电流(I_g)。

知识产权和产业链的支持

　　以上存储技术均为本团队独创，复旦大学拥有全部自主知识产权，并获得美国、日本和中国发明专利10项。近日，相关成果以《与硅底集成和自带选择管功能的LiNbO3铁电单晶畴壁存储器》（Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO₃ single crystals integrated on Si wafers）为题发表在《自然材料》(Nature Materials)上；以及以《非易失性全铁电场效应管》（Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors）为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)上，承担该项工作的博士生柴晓杰和项目研究员江钧博士为共同第一作者（https://fram.fudan.edu.cn/main.htm）。

　　铌酸锂晶体是一种集电光、声光、压电、光弹、非线性、光折变等效应于一身的人工合成晶体，原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体，国内外生产厂商众多，常应用于声表面波、电光调制、激光调Q、光陀螺、光参量振荡/放大、光全息存储等。目前研制成功的6英寸大面积掺杂铌酸锂单晶薄膜表面具有原子层平整度，能够与硅基电路实现低温键合(LOI)，存储性能稳定，可靠性高。8-12英寸铌酸锂单晶薄膜材料还在研发过程中，预计不久能够推向市场。

　　该项目得到上海市科技创新行动计划基础研究项目、国家重点研发计划、北京市自然科学基金和国家自然科学基金项目等的专项资助。