鲸云网9月15日消息，据媒体报道，中国科学院半导体研究所团队联合香港大学，研制出一种新型”铁电隧穿结”器件，利用原子层间仅埃米级的微小滑移，让开关两种状态的电阻相差约1900万倍，并能反复开关超过1000亿次。这项成果同时兼顾了高读出信号、高耐久与低能耗，为更省电、更耐用的存储与存算一体芯片提供了新路径，相关论文已发表于国际期刊《科学》。
铁电隧穿结可以理解成一个微型”三明治”：上下两层是电极，中间夹着一层极薄铁电材料，电子能像”穿墙”一样隧穿而过；铁电极化方向一旦翻转，这道”墙”的高低随之改变，对应电流的”开”与”关”两种状态，电阻差别越大、数据读得越准。但这个领域长期卡在一个矛盾上——能让电阻差很大的传统铁电材料，反复开关后容易”疲劳”，寿命有限；而几乎不磨损的新型二维滑移铁电材料，极化信号又太弱，数据读起来费劲。此次团队在器件里叠了三层关键结构：氮化硼当一道均匀的”薄墙”减少漏电、二维滑移铁电材料当可滑动的”闸门”、单层石墨烯当灵敏的”感受器”，三者配合把微弱极化变化放大成巨大电阻差。
实验数据显示，在0.5伏读取电压下，这种器件的电阻开关比达到1.9×10的7次方，比此前同类滑移铁电隧穿结提高4个数量级以上；它还能承受超过1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，甚至在脉宽低至13纳秒的极短脉冲下也能可靠切换，单比特开关能耗仅约6.5飞焦。团队还制备了8×8的器件阵列，全部64个单元都表现出一致的非易失开关，说明它不只是实验室里的单个好器件，而是具备走向高密度集成的基础。相比动辄需要刷新、断电就丢数据的易失存储，这类两端结构天然适合做”存算一体”——把计算搬到存储旁边，缓解手机和电脑长期存在的算力与功耗矛盾。
放到更大的盘子里看，这类器件切中的是半导体产业两条主线：一条是存储，国产阵营里长鑫HBM3的试产、华虹宏力整合华力微扩产12英寸逻辑代工，都在补国内存储与特色工艺的短板；另一条是架构，存算一体被认为是绕过传统冯·诺依曼瓶颈、把单位功耗算力做上去的关键路径之一。一项基础研究离真正量产还有阵列良率、配套电路、成本控制等关卡要过，但它把”高读出对比度”和”超高循环可靠性”这对鱼与熊掌同时拿下的思路，给后续器件设计开了一个实在的口子。
编辑：小昭
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