碳基信息存储面临挑战与发展机遇

当今大数据时代，信息数据量呈现高速增长，这对信息存储器件性能提出了更高要求。

目前闪存存储(FLASH)和磁存储是两种应用最多的存储器。然而，按照摩尔定律的规律发展，传统硅基 CMOS技术将在 2020 年达到14nm结点。就目前常用的硅基 FLASH存储器而言，器件尺寸缩小，绝缘层的进一步减薄会导致器件漏电流增大。传统的磁存储器虽然容量较大，但其擦写过程需要磁盘机械旋转，难以实现快速数据存储。

信息社会快速发展驱动信息存储技术的不断革新，近年来出现了几种新兴的阻变存储技术包括光存储器、铁电存储器、相变存储器、阻变存储器、自旋存储及量子存储等被寄希望替代目前常用的存储器。

相变存储器(PCM)是利用硫族化合物的晶态和非晶态具有较大的导电性差异来进行二进制信息存储。当在两电极间施加一个幅值较大的窄电流脉冲时，局域温度升高导致材料由晶态转变为非晶态。为了使材料恢复晶态，可采用一个中等幅值的宽脉冲，使材料达到结晶温度。材料处于晶态和非晶态具有较大的导电性差异，因此就可以利用这两种状态下电导进行信息存储。相变存储器具有可重复擦写，存储密度高，与 CMOS 工艺兼容等优点。然而使材料发生相变往往需要较大电流，功耗较大。同时相变存储器存储密度(目前＜1GB)较小，擦写时间(100ns)较长，未来仍需要进一步提高才能够应用。

铁电存储器(Fe RAM)主要利用铁电材料的铁电效应来进行信息存储的。当在铁电材料上施加电压后，晶体中心原子发生位移并达到一种稳定状态。撤去电场以后，中心原子保持稳定不变，因此铁电存储器是一种非易失性存储器，不同方向的电场会导致正负两个方向的剩余极化，宏观上表现出极化强度与施加电场产生响应。铁电存储器具有擦写速度快，抗辐射能力强等优势使得其在航空航天领域有广泛应用。

磁阻存储器(MRAM)是一种利用隧道磁阻效应来进行信息存储的。磁阻存储器基本结构是利用两个磁层中间夹一层薄绝缘层，其中两个磁层中一个磁化方向固定(固定磁层)，另一个磁化方向可变(自由磁层)。利用自由磁层与固定磁层磁矩的平行和反平行对器件电阻的巨大影响来进行信息存储。磁阻存储器具有读写速度快，抗干扰等优点，但同时也有写入电流大，器件加工工艺复杂等缺点。

除了以上介绍的几种研究较多的新兴存储器，还有一些比如分子存储，莫特存储，以及拓扑绝缘体存储等存储技术也受到关注。但这些存储器尚处于理论预言和进一步研究之中。

近年来，一种新型的阻变式随机存储器(RRAM)因其具有器件结构简单、低功耗、读写速度快等优点而逐渐受到关注，被认为具有替代传统 Flash 存储器成为下一代存储器的潜力。

虽然阻变存储是近些年兴起的一个新的存储概念，但是电阻转变现象早在上个世纪60 年代就有报道。研究人员发现对一些半导体(如 Al₂O₃，NiO等)薄膜施加一定电压后，薄膜电阻可发生较大改变，并且这种改变是可逆的。随后在一系列材料上都报道了这种电致阻变现象。然而，受限于技术水平，这些材料的阻变机制当时不是十分明确，这也限制了阻变领域的进一步发展。进入本世纪初，随着微电子技术的发展，按照摩尔定律的规律，传统的 Si 基半导体存储器面临着尺寸无法继续缩小问题，必须发展基于非电荷存储技术的存储器件能够解决上述问题。阻变存储器是一种利用离子迁移工作的器件，理论上器件的尺寸可以缩小到原子级别，能够有效增加单位面积的存储密度。目前，研究人员在阻变领域开展了一系列工作，随着研究的深入，人们对阻变存储器物理机制更加明确。

一般的阻变存储器具有简单的三明治结构(电极/半导体(绝缘体)/电极)。其中电极可选用活性金属(Ag，Cu 等)、惰性金属(Au, Pt 等)。而中间的阻变层材料则较为广泛，包括金属氧化物、金属硫化物、非晶硅、非晶碳、有机物等。

目前，阻变存储器的研究主要集中在物理机理研究和性能改进两个方面。在机理研究中，有多种阻变机理被相继提出。

近几年，研究人员利用电子显微镜，光谱表征等手段发现绝大多数存储器的电阻转变是由于阻变层内部形成了导电通道。因此，导电通道的基本性质研究对进一步了解阻变存储器至关重要。

根据采用的电极材料和绝缘层材料的不同，一般导电通道可分为两类：一类是活性金属发生电化学氧化还原反应在绝缘层内部形成金属导电通道；另一类是金属氧化物绝缘层内部氧离子迁移形成了氧空位(对 n型半导体而言)的导电通道。

由于导电通道尺寸一般只有几个纳米，直接表征起来较为困难。因此实验上多利用导电通道不同的电学、光学性质来开展研究。导电通道在尺寸很小情况下，其力学、电学性质等都会发生较大变化。利用这些变化一方面能够研究导电通道物理性质，如导电通道形成与断裂动态过程，纳米通道的导电机制等。

就存储器材料而言，材料是构成阻变存储器的核心，近年来研究人员在很多材料中都观察到了阻变现象，其中研究较多的有金属氧化物(二元、三元)、快离子导体(金属硫化物)、非晶半导体(a-C、a-Si)等。然而，在这些材料中并没有确定构建阻变存储器的最佳材料。

作为阻变式存储器，需要器件本身能够在高低阻态下进行转变，这就要求材料本身具有或能达到较高电阻值。目前研究人员也尝试了很多新材料，包括有机半导体、钙钛矿材料、非晶态半导体、石墨烯材料等。然而目前并没有确定一种适合存储器的最佳材料。

按照摩尔定律发展规律，硅基 CMOS工艺已经逼近其性能极限。若要突破摩尔定律限制，必须寻找新的材料能够突破目前硅基电子技术困境。其中，碳基材料被公认为最有可能替代硅基材料。碳基材料具有丰富多元形态结构，包括石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、富勒烯、非晶碳等。碳基材料优异的电学、光学、磁学、力学、热学性质使其在晶体管、透明导电膜、场发射器件、传感器件等众多领域都有广泛应用，目前已经有利用碳基晶体管成功构建的计算机原型。

另一方面可以实现很多新的功能，比如多级存储、电导量子化、神经突触仿生、光控开关等，这也拓宽了未来阻变存储器的应用领域。

阻变存储器尚没有投入市场，最主要原因是性能还有待进一步提高。由于存储器导电通道形成是随机的，因此阻变参数存在较大波动，这会造成信息读取错误。目前在提升阻变存储器稳定性方面主要集中在如何有效控制导电通道形成，降低随机性。包括界面调控，局域电场调控等方法相继被提出，在一定程度上改善了阻变存储器的性能。总的来说碳基信息存储是未来发展方向，也是碳基半导体重要应用探索之一。

基于此，5月20-22日，DT新材料联合宁波材料所共同主办“2021碳基半导体材料与器件产业发展论坛“，特邀南京工业大学刘举庆教授分享《碳基信息存储》，欢迎各位专家、青年学者、重点企业共同探讨。

南京工业大学教授，博士生导师。主要从事信息存储、信息显示与柔性电子等领域研究。已发表论文80余篇，申请或授权发明专利20余项,在国际和各类双边会议上作邀请报告30余次。目前主持包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金优青/面上等多项。获教育部高等学校科学研究成果一等奖、江苏省高等学校科学技术研究成果一等奖。

《碳基信息存储》

信息社会快速发展驱动信息存储技术的不断革新。当前各种新兴存储引起了人们广泛关注，包括阻变存储、相变存储、铁电存储、自旋存储及量子存储等。本报告扼要介绍当前存储面临挑战与发展机遇，重点阐述我们碳基阻变存储的研究工作，诸如碳基阻变存储元件的制备普适构筑与性能精准调控，多功能存储器的理性设计，基于阻变存储器在高技术感知记忆与无串扰集成应用。