集成電路，俗稱“芯片”，是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，被譽(yù)為國(guó)家的工業(yè)糧食。而存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)信息的主要載體，占集成電路市場(chǎng)的四分之一，我國(guó)存儲(chǔ)器市場(chǎng)占全球市場(chǎng)的一半，但缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和人才，導(dǎo)致高密度、大容量存儲(chǔ)器完全依賴進(jìn)口。這給我國(guó)的信息安全帶來(lái)了極大的隱患。
為解決此難題，有一個(gè)團(tuán)隊(duì)默默耕耘了十多年時(shí)間，正是憑著這種“把冷板凳坐熱”的精神，使他們終于摘得2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的桂冠。這正是中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉明院士領(lǐng)導(dǎo)的新型非易失存儲(chǔ)器研究團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)15年的努力，在高密度、大容量存儲(chǔ)器領(lǐng)域積累了系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、培養(yǎng)了人才。而他們研制的新型阻變存儲(chǔ)器正在推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，有望在未來(lái)進(jìn)入主流存儲(chǔ)器市場(chǎng)。
團(tuán)隊(duì)成員在人民大會(huì)堂合照留影。左，王艷，中，龍世兵，右，劉琦
解密阻變存儲(chǔ)器
項(xiàng)目第二完成人劉琦研究員，正是團(tuán)隊(duì)中的一員。回憶起與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、導(dǎo)師劉明院士的相識(shí)，劉琦不得不驚嘆命運(yùn)對(duì)自己的眷顧。2006年劉琦還在安徽大學(xué)讀研究生的時(shí)候，被劉明院士的一場(chǎng)報(bào)告深深吸引，熱愛(ài)科研的他抓住機(jī)會(huì)當(dāng)時(shí)就向劉明院士表達(dá)了想做聯(lián)合培養(yǎng)生的訴求，沒(méi)想到愿望很快實(shí)現(xiàn)了，自己已在這個(gè)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、工作了10年的時(shí)間。
他介紹說(shuō)，阻變存儲(chǔ)器是一種新型的非易失存儲(chǔ)技術(shù)，與目前主流的非易失存儲(chǔ)器Flash Memory（閃存）相比，在性能上有極大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，阻變存儲(chǔ)器由金屬-介質(zhì)-金屬構(gòu)成，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)三維的高密度集成，是未來(lái)大容量存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
項(xiàng)目歷經(jīng)十余年，針對(duì)阻變存儲(chǔ)器機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、集成工藝與芯片設(shè)計(jì)等方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，也在知識(shí)產(chǎn)權(quán)上進(jìn)行了有效的部署，這些成果為我國(guó)發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的阻變存儲(chǔ)技術(shù)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。
記者了解到。該團(tuán)隊(duì)積累的電荷俘獲存儲(chǔ)器相關(guān)技術(shù)和專利2014年轉(zhuǎn)移到武漢新芯進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，2016年，武漢新芯憑借和微電子所的技術(shù)及人才合作成為國(guó)家存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)基地，得到包括紫光集團(tuán)、國(guó)家集成電路基金等共計(jì)240億美元的投資，成立了長(zhǎng)江存儲(chǔ)公司。“中科院微電子所存儲(chǔ)器相關(guān)專利和技術(shù)是武芯存儲(chǔ)器產(chǎn)品自主研發(fā)的初始來(lái)源和主要基礎(chǔ)之一”。
科研過(guò)程漫長(zhǎng)神秘
在接受記者采訪之前，項(xiàng)目第四完成人龍世兵研究員剛剛面見(jiàn)了一位自己輔導(dǎo)的本科生。這位學(xué)生剛剛用兩個(gè)月的時(shí)間完成了40頁(yè)全英文的投稿。
在外加電激勵(lì)下，材料發(fā)生電阻變化的現(xiàn)象早在20世紀(jì)60年代就被報(bào)道，但是利用這種現(xiàn)象發(fā)展新型非易失存儲(chǔ)技術(shù)卻是從2000年才逐漸起步，龍世兵告訴記者，劉明院士團(tuán)隊(duì)在2004年就開始關(guān)注阻變存儲(chǔ)器，研究歷程基本與國(guó)際同步。
在初始階段，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多的材料體系在電激勵(lì)下都能出現(xiàn)電阻轉(zhuǎn)變行為，但是絕大大部分的器件都需要一個(gè)初始激活的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要較大的電壓，會(huì)對(duì)器件產(chǎn)率、性能和可靠性造成嚴(yán)重的影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，他們通過(guò)理論分析，并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻雜能夠解決上述的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了器件性能的改善和器件良率的提高。目前，這個(gè)方法已經(jīng)成為阻變存儲(chǔ)器領(lǐng)域改善器件性能的常用方法之一。
阻變過(guò)程伴隨著一些物理化學(xué)變化，這些變化將導(dǎo)致導(dǎo)電通路在材料內(nèi)部的形成和破滅，但如何觀測(cè)分析這些變化的微觀信息是一件非常困難的事情。針對(duì)這個(gè)難題，他們發(fā)展了一套原位的TEM測(cè)試方法，能夠在外加電壓下，實(shí)時(shí)地觀測(cè)材料內(nèi)部導(dǎo)電通路的形成和破滅的過(guò)程。基于這個(gè)方法，他們首次獲得了導(dǎo)電通路形成和破滅動(dòng)態(tài)的影像過(guò)程，這對(duì)阻變的微觀機(jī)制的研究產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。
理解了導(dǎo)電通路形成和破滅是阻變行為的根本原因，自然而然的，就想到如何控制導(dǎo)電通路的形成和破滅的過(guò)程，這對(duì)器件性能的改善至關(guān)重要。因此，進(jìn)一步發(fā)展了電場(chǎng)增強(qiáng)的調(diào)控思想，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電通路生長(zhǎng)過(guò)程的人為調(diào)控，為阻變存儲(chǔ)器大規(guī)模集成提供了解決方案。
產(chǎn)業(yè)化的美好愿景
王艷作為項(xiàng)目第五完成人，跟記者講述了獲獎(jiǎng)后的心路歷程。她認(rèn)為自己的生活和心態(tài)沒(méi)有什么變化，獲獎(jiǎng)是對(duì)團(tuán)隊(duì)多年工作的一個(gè)認(rèn)可，也是一種鼓勵(lì)。
她覺(jué)得作為一名女同志，在工作中跟男同事并沒(méi)有什么不同之處。科研工作需要專注和投入，也需要成員之間互相幫助，并表示慶幸自己處在這樣一個(gè)團(tuán)隊(duì)中。她說(shuō)，導(dǎo)師劉明院士是一位非常優(yōu)雅溫和的女性，對(duì)待工作非常認(rèn)真，遇到困難向她求助，她會(huì)竭盡所能的給予幫助。待人真誠(chéng)，也沒(méi)什么架子。
整個(gè)團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，形成了真誠(chéng)樸實(shí)的工作氛圍。團(tuán)隊(duì)成員之間也都相識(shí)多年，一起把阻變存儲(chǔ)器這個(gè)課題一點(diǎn)一點(diǎn)做起來(lái)，從原理探索，性能改進(jìn)，到商業(yè)化應(yīng)用探索。她表示一直以來(lái)得到大家很多幫助，能成為這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一份子是一件很幸運(yùn)的事情。
劉琦介紹說(shuō)，團(tuán)隊(duì)在開展基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也注重阻變存儲(chǔ)器的應(yīng)用研究。一方面，注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，目前已經(jīng)申請(qǐng)近百項(xiàng)的專利，集中在材料、結(jié)構(gòu)、工藝、算法、電路等方面，其中已經(jīng)獲得美國(guó)授權(quán)專利8項(xiàng)，中國(guó)授權(quán)專利50多項(xiàng)。另一方面，也在積極地將成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，目前正在跟中芯國(guó)際、北京智芯微電子科技有限公司聯(lián)合開發(fā)28nm的RRAM量產(chǎn)工藝及產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)，希望能夠推動(dòng)中國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)自主快速發(fā)展。