復(fù)旦微電子學(xué)院研制6英寸摻雜鈮酸鋰單晶薄膜存儲(chǔ)技術(shù)

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(jì)南晶正公司等研發(fā)出的新型鐵電疇壁存儲(chǔ)器，采用鈮酸鋰單晶薄膜材料與硅基電路低溫鍵合，存儲(chǔ)介質(zhì)無缺陷、晶界和空洞等，突破了新型多晶薄膜存儲(chǔ)器的單元一致性和高可靠性集成技術(shù)的瓶頸。

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(jià)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)低溫鍵合(LOI)，存儲(chǔ)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(jì)不久能夠推向市場(chǎng)。

圖 1 上，鈮酸鋰薄膜與硅基電路的晶圓低溫鍵合；下， 三維堆垛方案。 ?圖源：復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院 ?下同

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

圖 3 左，鐵電疇在源(D)、漏(S)和柵(G)電壓控制下反轉(zhuǎn)所形成疇壁的相場(chǎng)模擬結(jié)果；右，源電壓(Vd)作用下柵脈沖電壓(Vg)觸發(fā)的非揮發(fā)開關(guān)電流(Ig)。

據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)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(chǔ)單元，通過施加面內(nèi)電場(chǎng)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(chǔ)邏輯“0”和“1”的信息，1V 下讀出電流最高可達(dá) 1.7 μA，且具有單向?qū)ㄌ匦裕_關(guān)比大于 105。同時(shí)證明了存儲(chǔ)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(chǔ)器高密度發(fā)展的技術(shù)瓶頸。存儲(chǔ)器讀寫速度可達(dá)納秒甚至皮秒量級(jí)，讀寫次數(shù)基本不限，保持時(shí)間大于 10 年，可實(shí)現(xiàn)三維堆垛。

此外，團(tuán)隊(duì)在以上存儲(chǔ)器的研究基礎(chǔ)上集成了非易失性的全鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，這種無結(jié)的場(chǎng)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(dá)~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(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)功能，與鐵電存儲(chǔ)器同質(zhì)集成能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)存算一體化，有望突破“存儲(chǔ)墻”限制，預(yù)計(jì)可規(guī)?；a(chǎn)。

據(jù)了解，該存儲(chǔ)技術(shù)均為該團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)，復(fù)旦大學(xué)擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并獲發(fā)明專利 10 項(xiàng)。承擔(dān)該項(xiàng)工作的博士生柴曉杰和項(xiàng)目研究員江鈞為共同第一作者。該項(xiàng)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(xiàng)目得到上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的專項(xiàng)資助。

該研究成果以《與硅底集成和自帶選擇管功能的 LiNbO3 鐵電單晶疇壁存儲(chǔ)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(chǎng)效應(yīng)管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）為題發(fā)表于《自然 - 通訊》（Nature Communications）。