复旦微电子学院研制6英寸掺杂铌酸锂单晶薄膜存储技术

近期，复旦大学微电子学院江安全课题组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，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。

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。

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。  图源：复旦大学微电子学院  下同

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(Vd)作用下栅脉冲电压(Vg)触发的非挥发开关电流(Ig)。

据悉，研究团队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，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 μA，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。

此外，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，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。

据了解，该存储技术均为该团队原创，复旦大学拥有全部自主知识产权，并获发明专利 10 项。承担该项工作的博士生柴晓杰和项目研究员江钧为共同第一作者。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。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。

该研究成果以《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”）为题发表于《自然 - 材料》（Nature Materials），以《非易失性全铁电场效应管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）为题发表于《自然 - 通讯》（Nature Communications）。