隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的廣泛普及，現(xiàn)代信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量與處理速度的需求正呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長的態(tài)勢。為了解決中央處理器與揮發(fā)性主存儲(chǔ)器之間由數(shù)據(jù)傳輸瓶頸引發(fā)的“存儲(chǔ)墻”問題，業(yè)界提出了近存計(jì)算與存內(nèi)計(jì)算等創(chuàng)新架構(gòu)，這對(duì)非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)的高速化與低功耗化提出了更為嚴(yán)苛的要求。由于現(xiàn)有的揮發(fā)性主存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)非揮發(fā)性存儲(chǔ)介質(zhì)之間存在巨大的延遲鴻溝，不僅限制了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，更造成了顯著的能源浪費(fèi)，因此開發(fā)一種既能實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)讀寫，又具備可靠性并與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝深度兼容的新型存儲(chǔ)方案，已成為當(dāng)前半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究重心。

盡管目前已有多種新興非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)投入研究，但它們在實(shí)際應(yīng)用中依然面臨著難以兼顧的性能瓶頸與技術(shù)挑戰(zhàn)。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器受限于高寫入電流帶來的功耗與縮放難題，鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器則存在破壞性讀取及耐久性不足的缺陷。相變存儲(chǔ)器在狀態(tài)切換時(shí)需要電流來熔化材料，而氧化還原型阻變存儲(chǔ)器通常依賴復(fù)雜的預(yù)成型工藝，且因?qū)щ娂?xì)絲形成的隨機(jī)性導(dǎo)致讀寫一致性較差。更為棘手的是，這些主流新興存儲(chǔ)技術(shù)在高溫環(huán)境下普遍會(huì)出現(xiàn)性能急劇惡化的問題，嚴(yán)重限制了其在工業(yè)控制及航空航天等高標(biāo)準(zhǔn)場景中的應(yīng)用前景。

針對(duì)上述問題，由新加坡國立大學(xué)、浙江大學(xué)等組成的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過在鋁鈧氮薄膜中利用電場誘導(dǎo)纖鋅礦與巖鹽礦結(jié)構(gòu)間的可逆相變，成功研制出一種兼具納秒級(jí)開關(guān)速度、超低操作電壓高溫穩(wěn)定性的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。

該研究開發(fā)了一種基于氮化鋁鈧材料的電場誘導(dǎo)相變存儲(chǔ)器，簡稱EPTRAM，為解決傳統(tǒng)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的功耗與耐用性瓶頸提供了新路徑?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，通過精確調(diào)節(jié)鈧在鋁鈧氮合金中的摻雜比例，可以在納米薄膜中實(shí)現(xiàn)從高電阻纖鋅礦相到高電導(dǎo)巖鹽礦相的可逆轉(zhuǎn)變。這種新型機(jī)制不依賴于傳統(tǒng)阻變存儲(chǔ)器中隨機(jī)且不穩(wěn)定的導(dǎo)電細(xì)絲，也不需要相變存儲(chǔ)器所需的大電流焦耳熱驅(qū)動(dòng)，從而在根本上規(guī)避了結(jié)構(gòu)隨機(jī)波動(dòng)帶來的可靠性問題，為構(gòu)建高一致性的存儲(chǔ)陣列奠定了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。

圖1 主要展示了不同Sc組分Al???Sc?N薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)電學(xué)行為

在電學(xué)性能評(píng)估中該器件展現(xiàn)的綜合指標(biāo)，特別是在極低電壓操作環(huán)境適應(yīng)性方面實(shí)現(xiàn)了顯著跨越。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該存儲(chǔ)器在低于0.3伏的超低電壓下即可完成狀態(tài)切換，其寫入速度快至3納秒以內(nèi)，且單位比特的操作能耗極低，優(yōu)于絕大多數(shù)已報(bào)道的同類技術(shù)。更具突破性的是，該器件在583開爾文的高溫環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其寫入循環(huán)壽命超過一億次，這一指標(biāo)比目前主流的新興非揮發(fā)性存儲(chǔ)器高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，充分證明了其在航空航天及工業(yè)電子等嚴(yán)酷工況下的巨大應(yīng)用潛能。

圖2 集中展示了Pt/Al?.?Sc?.?N/Pt器件的核心性能指標(biāo)

為了從原子尺度解析這一物理過程，研究團(tuán)隊(duì)利用原位掃描透射電子顯微分析技術(shù)對(duì)相變區(qū)域進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測。在此過程中，澤攸科技研發(fā)生產(chǎn)的原位樣品桿發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它能夠?yàn)榧{米級(jí)薄膜提供穩(wěn)定的電場激勵(lì)，并在透射電鏡內(nèi)部同步采集高精度的電流電壓數(shù)據(jù)。借助該儀器的精密控制，科研人員得以直接觀察到纖鋅礦與巖鹽礦結(jié)構(gòu)在電場驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)演變過程，排除了焦耳熱或機(jī)械應(yīng)力的主導(dǎo)影響，確證了氮離子遷移誘導(dǎo)的相變是實(shí)現(xiàn)非揮發(fā)性存儲(chǔ)的核心科學(xué)原理，為理解三族氮化物的物理特性提供了新證據(jù)。

圖3 重點(diǎn)驗(yàn)證器件在高溫環(huán)境中的工作可靠性

圖4 從原位TEM/SAED角度直接揭示了器件阻變的微觀機(jī)制

針對(duì)未來大規(guī)模集成的實(shí)際需求，該研究進(jìn)一步探討了器件的微縮效應(yīng)及其與主流半導(dǎo)體工藝的兼容性。研究通過有限元仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，當(dāng)器件特征尺寸縮小至納米級(jí)時(shí)，局域電場的增強(qiáng)反而有助于提升相變效率，預(yù)示著其具備優(yōu)異的擴(kuò)展?jié)摿?。此外團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了兼容互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的單晶體管單電阻架構(gòu)，有效解決了存儲(chǔ)陣列中的串?dāng)_電流問題，為將這一電場誘導(dǎo)相變技術(shù)轉(zhuǎn)化為高性能、高密度的通用型存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了切實(shí)可行的技術(shù)路線圖。

圖5 從綜合指標(biāo)上評(píng)估EPTRAM相對(duì)于現(xiàn)有RRAM和PCM等技術(shù)的競爭力

FEI雙傾探針桿

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統(tǒng)、臺(tái)階儀、納米位移臺(tái)、光柵尺、探針臺(tái)、電子束光刻機(jī)、二維材料轉(zhuǎn)移臺(tái)、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿足國家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測量領(lǐng)域已屬于國內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家重大科研裝備研制項(xiàng)目等多個(gè)重量級(jí)科研項(xiàng)目，多次實(shí)現(xiàn)國內(nèi)材料表征測量設(shè)備的“國產(chǎn)替代”，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國際聲譽(yù)、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)被國際盛名期刊采納。