微电子学院江安全课题组在 高密度铁电存储器的信息读出技术研究中取得重要进展
近日，复旦大学微电子学院江安全教授课题组在高密度铁电存储器的信息读出技术的研究中取得了重大突破性进展。课题组采用新型畴壁电流读出技术，在高度绝缘的铁酸铋薄膜表面创新性制备出三端纳米存储单元，实现电畴信息的快速读出。相关研究成果以《铁电畴壁存储器中形成临时高导电畴壁进行非破坏性读出》（Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories）为题在线发表于《自然-材料》（Nature Materials）。
计算机存储器都是以“0”和“1”二进制的方式记录所需要存储的逻辑信息。铁电材料可以通过施加外在电场改变电畴的极化方向,非挥发地存储以上逻辑信息，电畴最小尺寸可以缩小至1.2纳米，读写速度可达纳秒甚至皮秒量级，且读写次数基本不限，能耗极低，具备了通用存储器特征。但是如何重复、可靠地读出不同存储单元中纳米电畴的信息成为产学研发界的最关键技术难题。目前市场上普遍采用的存储架构和电荷积分的信息读出方案，极大限制了最小存储单元面积,成为高密度铁电存储器技术的发展瓶颈。
江安全课题组采用新型畴壁电流读出技术，在高度绝缘的铁酸铋薄膜表面创新性制备出三端纳米存储单元，通过控制存储单元的两个侧边电极实现电畴信息的快速写入，利用一个侧边和一个中间电极实现电畴信息的快速读出。当读电场与电畴写入方向平行时（“0”），读出电流低；反之，当读电场与电畴写入方向反平行时（“1”），存储单元表面的部分电畴会反转，从而与周边不反转的铁电畴形成了导电畴壁，读出电流高。以上高、低态读出电流开关比大于100，读操作过程中所形成的导电畴壁在读操作后全部自动消失，从而实现信息的非破坏性读出，并且减小了薄膜中长时间带电缺陷的运动或聚集影响所读出的畴壁电流大小，可靠性高。另外，存储单元尺寸越小，即存储密度越高，所读出畴壁电流越大，例如1 V读电压下7.2纳米尺寸的存储单元中能够读出的畴壁电流可达1微安，较目前国际上所报道的pA-nA量级的电流提高了1000倍，满足了存储电路的快速读取需求。最后，该存储器的平面存储密度能够超过目前市场所广泛使用的闪存，数据的擦写时间能够从毫秒量级缩短至纳秒，且能耗不及后者的千分之一,能够充分满足人们对快速通讯、大数据移动存储、低功耗物联网等不同应用场合的需求，预计会对现有半导体存储器的产业格局产生重大影响，为我国存储器产业的快速发展提供了机遇。
以上原创性工作目前已经获得中国和美国3项授权发明专利，江均和白子龙博士研究生为共同第一作者，韩国首尔大学和英国剑桥大学、圣安德鲁斯大学为共同合作单位。此项研究工作得到了国家973基础研究计划支持。
江安全教授，复旦大学微电子学院研究员，上海市东方学者特聘教授。2013年获得国家自然科学基金杰出青年基金。国际电子器件会议（IEDM）存储器分会委员。