研究人員提出新的物理現(xiàn)象，有望將存儲(chǔ)芯片的容量提升1000倍

由 UNIST 能源與化學(xué)工程學(xué)院的李俊熙教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出了一種新的物理現(xiàn)象，該現(xiàn)象有望將指甲大小的存儲(chǔ)芯片的存儲(chǔ)容量提高1，000 倍。

研究小組認(rèn)為，這將為直接集成到硅技術(shù)中的最終致密的逐單元鐵電開關(guān)設(shè)備提供意想不到的機(jī)會(huì)。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FeRAM 或 FRAM）通過極化現(xiàn)象來存儲(chǔ)信息，其中電偶極子（如鐵電內(nèi)部的 NS 磁場）被外部電場對準(zhǔn)。

FeRAM 已成為替代現(xiàn)有 DRAM 或閃存的下一代存儲(chǔ)半導(dǎo)體，因?yàn)樗俣雀欤母?，甚至?a target="_blank">電源關(guān)閉后仍能保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。但是，F(xiàn)eRAM 的主要缺點(diǎn)之一是存儲(chǔ)容量有限。

因此，為了增加其存儲(chǔ)容量，有必要通過減小芯片尺寸來集成盡可能多的設(shè)備。對于鐵電體，物理尺寸的減小導(dǎo)致極化現(xiàn)象的消失，該極化現(xiàn)象有助于將信息存儲(chǔ)在鐵電材料中。

這是因?yàn)殍F電疇的形成（發(fā)生自發(fā)極化的微小區(qū)域）至少需要成千上萬個(gè)原子。因此，當(dāng)前對 FRAM 技術(shù)的研究集中在減小域大小的同時(shí)保持存儲(chǔ)容量。

圖1：比較當(dāng)前（左）和新（右）FeRAM 的示意圖 Lee 教授及其研究小組發(fā)現(xiàn)，通過向稱為鐵電氧化 Ha（HfO2）的半導(dǎo)體材料中添加一滴電荷，可以控制四個(gè)單獨(dú)的原子來存儲(chǔ) 1 位數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究顛覆了現(xiàn)有的范例，該范例最多只能在數(shù)千個(gè)原子的組中存儲(chǔ) 1 位數(shù)據(jù)。正確使用后，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ) 500 Tbit / cm2，是當(dāng)前可用閃存芯片的1，000 倍。

該研究小組希望，他們的發(fā)現(xiàn)將為開發(fā)半納米制造工藝技術(shù)鋪平道路，這對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一項(xiàng)開創(chuàng)性的成就，因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)已經(jīng)面臨著當(dāng)前 10 納米技術(shù)的極限。

Lee 教授說：“能夠在單個(gè)原子中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的新技術(shù)是地球上最高級的存儲(chǔ)技術(shù)，它不會(huì)分裂原子。預(yù)計(jì)該技術(shù)將有助于加速進(jìn)一步縮小半導(dǎo)體尺寸的努力?！?/p>

Lee 教授說：“ HfO2 在當(dāng)今的存儲(chǔ)晶體管中很常用，通過應(yīng)用這種技術(shù)，有望將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量擴(kuò)大 1000 倍?！边@項(xiàng)革命性發(fā)現(xiàn)已于 2020 年 7 月 2 日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

能夠在單個(gè)原子中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的“科學(xué)”雜志已經(jīng)發(fā)表了該論文，因此有望刺激半導(dǎo)體行業(yè)的飛躍性創(chuàng)新。最新發(fā)現(xiàn)還可能為開發(fā)半納米制造工藝技術(shù)鋪平道路，這對于半導(dǎo)體行業(yè)來說是一項(xiàng)開創(chuàng)性的成就，因?yàn)榘雽?dǎo)體行業(yè)目前正面臨著 10 納米制程工藝技術(shù)的極限。