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做时代前沿的创新者

来源:  发布时间:2016-06-02

本刊记者 倪 萍

  
 
  兴趣使然,刘力锋从河北工业大学一路读到中国科学院半导体研究所获得博士学位,然后在北京大学完成博士后研究。那时,国际上还鲜有人提及“阻变存储器”这个新兴器件,他所在的团队负责人康晋锋教授却敏锐地预感到其广阔的应用前景,于是率领团队展开相应研究。刘力锋也自然走上这条时代科学前沿的攻坚之路。
  十年磨一剑,如今的刘力锋对阻变存储器的了解有如庖丁解牛。研究初期,他的研究焦点集中在对于不同阻变材料的阻变机制的认识和理解上;现在,他将研究聚焦在如何利用阻变材料实现稳定、可靠的三维集成的阻变存储器,获得高密度低成本的器件,以满足实际的存储器件应用需求。同时,开展阻变器件的创新应用研究。
  
理清阻变机制
  
  基于阻变现象实现数据存储的器件称为阻变存储器件(RRAM)。基于金属氧化物的阻变存储器可以同时满足大容量非挥发数据存储和高速度读写的需求,被认为是未来存储器技术中最有竞争力候选者之一。然而,对金属氧化物阻变存储器阻变特性的物理机制认识不清,阻碍了RRAM技术发展,“对阻变机制的争论主要集中在阻变介质中构成导电通道的成分及形貌、不同形貌下的电流输运机制,以及导电通道连通和断开的原因等问题”,刘力锋说,阻变机制不清就无法准确地理解RRAM的各种本征和非本征特性,从而难以对RRAM器件的特性做出正确评估,也难以鉴别影响RRAM阻变特性的关键因素。同时,缺乏RRAM器件的准确物理模型,难以对材料选择和工艺技术的改进提出有价值的指导。
  在深入研究金属氧化物RRAM阻变开关特性的基础上,刘力锋及团队成员利用第一性原理计算并结合实验研究,提出了基于氧空位通道的电子跳跃导电输运机制,建立了以氧空位的产生和复合为基础的统一描述氧化物单极型和双极型RRAM电阻开关特性的物理模型。
  探究过程中,刘力锋和团队成员们经常开会讨论,争论不断,往往上午刚刚得出的结论下午就被推倒重来。然而,功夫不负有心人,最终他们研究提出了统一的阻变微观机制——以统一的物理效应和观点阐明单、双极阻变的微观起源,可合理解释在金属氧化物阻变器件中观测到的多种现象。据刘力锋介绍,与之前所提的阻变机制不同,新机制重点突出了可动氧离子的作用,同时首次指出了氧离子与氧空位的复合是由电场作用下的氧空位电子耗尽效应决定,其对金属氧化物基RRAM材料优选和阻变开关性能的优化可谓具有重要的理论指导意义。基于阻变微观机制,他们还进一步研究发展了可以定量表征和预测阻变过程中相关物理效应及阻变器件性能的模型。
  
优化提高阻变性能和可靠性
  
  尽管氧化物RRAM器件性能优越,但普遍存在电阻开关转变不稳定的问题。随着器件开关次数的增加,将发生因高阻态电阻、低阻态电阻、置位电压和复位电压的退化而导致器件失效的不稳定现象。刘力锋从器件材料优化和操作模式优化两个角度,对阻变器件特性的设计与性能改善方案做出指导性建议。
  为了优化阻变器件性能,刘力锋历经大量时间筛选适合阻变材料和结构。后来,通过设计适量掺杂的阻变氧化层,电极材料以及界面层,同时引入电流扫描和优化的脉冲操作模式,成功制备出具有高性能的阻变器件。据悉,其set阻变时间小于20ns,具有阻变稳定的四级电阻态,多阻态的耐久循环次数超过106,在150度高温下的电阻态保持测量数据外推可达10年。
  在此基础上,刘力锋利用提出的RRAM的微观阻变机制和理论模型,分析了影响氧化物RRAM器件阻变稳定性的关键因素;结合金属氧化物材料特性的第一性原理计算研究,提出了利用合适金属离子掺杂改善RRAM阻变开关均匀性的技术,同时提出掺杂离子种类和工艺的优化选择方法。此外,还提出一种新型编程和擦写操作模式,可有效改善氧化物RRAM阻变参数的一致性,提出了利用器件材料优化和操作模式优化相结合改善阻变器件综合性能的技术方案,为金属氧化物RRAM综合阻变性能的优化提供了指导性建议。
  优化了阻变存储器的稳定性能,刘力锋又面临着提高其可靠性的问题,“目前,阻变器件的可靠性还无法满足实际器件应用的需求,这也是阻碍RRAM器件迈向产品化的一个重要技术瓶颈”。可靠性问题包括氧化物RRAM器件的保持特性失效现象,耐久力特性的失效行为等。RRAM阻变器件是基于新原理的存储器件,传统的存储器件失效评测技术将不能完全适用于RRAM器件评测,因此亟需发展一个新的可靠特性评测技术方法。
  针对RRAM阻变器件保持特性失效现象、耐久力特性失效行为,刘力锋探讨了氧化物RRAM的阻变开关失效机制,提出了一种可以有效评测金属氧化物RRAM失效概率和电阻态保持时间的物理模型,并建立金属氧化物RRAM的高阻态和低阻态保持特性的评测方法;根据金属氧化物RRAM耐久力特性的各种失效特性,提出了可描述其耐久力性能退化的物理模型,用于预测RRAM阻变开关的耐久力特性。更重要的是,他提出了一种新型的器件操作模式,可将金属氧化物RRAM器件的耐久力提高一个数量级。
  
创新阻变器件应用
  
  RRAM阻变器件除了在存储器领域有广阔应用前景外,还可能在逻辑电路中有所应用。众所周知,现有计算机使用的是冯诺依曼体系,即计算和存储分开。它的缺陷显而易见——运行数据必须在存储器和运算器之间相互传输,传输效率会因此降低。而若能将一些简单的运算直接在存储器中完成,就可以省去传输过程,从而实现更高的运算效率。这也被称为非挥发逻辑功能。根据这一想法,刘力锋希望研发出一种基于阻变现象的非挥发逻辑器件,可以同时实现多值存储和多值逻辑,“这将极大提高运算效率,还可以简化电路结构,实现更低的成本”。于是,他利用TiN/Gd:HfOx/Pt阻变器件实现了四进制的加法操作,成功演示了RRAM器件可用于多值非挥发逻辑器件的功能。
  再进一步,刘力锋开展了RRAM阻变器件的神经网络计算应用研究。仿制生物大脑进行神经形态计算一直是人类追求的热点问题。他借鉴生物学中的神经网络的思想,采用并行运算的方法,实现人工神经网络功能电路。随着集成电路技术的发展,直接利用电子器件制造硬件神经网络系统,从而实现神经形态计算功能的设想逐渐进入人们的视线。硬件神经网络系统可以在与生物大脑类似的体积内,以相似的能量消耗,实现类似人脑的思考和计算。
  阻变器件则是这种人工神经网络中的重要组成部分。刘力锋及团队通过阻变器件结构创新,提出了基于三维RRAM结构的电子神经突触,其具有高效的神经形态学习能力,且响应速度比生物突触快100万倍,电路操作过程简单,为实现大规模、高密度、低能耗的神经网络系统提供了与当前半导体工艺兼容的低成本解决方案。
  U盘、RRAM存储器、人工神经网络……科技改变生活,相信在不远的将来,因有像刘力锋一样的科学家不懈地努力与不断突破,我们的生活会变得更加便利与美好。
  
  
专家简介:
  刘力锋,北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院教授。研究方向为新型存储器集成技术和微纳电子材料及应用。主持承担国家重大专项02专项课题1项、国家自然科学基金项目2项,作为单位负责人承担“863”计划课题1项,作为5名学术骨干之一获得2015年国家自然基金委创新群体项目。承担本科生专业课《半导体材料》《半导体物理研讨班》以及研究生课程《微电子学材料》。
  在本领域核心学术期刊ACS Nano、Scientific Reports、IEEE Electron Device Letters (EDL)、IEEE Transactions on Electron Devices (TED)、Applied Physics Letters(APL)及学术会议Symposium on VLSI Technology (VLSI)、International Electron Device Meeting (IEDM)等发表论文120余篇,其中2篇期刊论文为ESI(基本科学指标数据库)高被引论文(Top1%);论文累计SCI他引800余次,h因子17。已申请中国发明专利50余项,30项获得授权;申请国际发明专利5项,3项获得授权。
   

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