做時(shí)代前沿的創(chuàng)新者

本刊記者 倪 萍

做時(shí)代前沿的創(chuàng)新者

本刊記者 倪 萍

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

劉力鋒，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院教授。研究方向?yàn)樾滦痛鎯?chǔ)器集成技術(shù)和微納電子材料及應(yīng)用。主持承擔(dān)國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)02專(zhuān)項(xiàng)課題1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，作為單位負(fù)責(zé)人承擔(dān)“863”計(jì)劃課題1項(xiàng)，作為5名學(xué)術(shù)骨干之一獲得2015年國(guó)家自然基金委創(chuàng)新群體項(xiàng)目。承擔(dān)本科生專(zhuān)業(yè)課《半導(dǎo)體材料》《半導(dǎo)體物理研討班》以及研究生課程《微電子學(xué)材料》。

在本領(lǐng)域核心學(xué)術(shù)期刊ACS Nano、Scientific Reports、IEEE Electron Device Letters (EDL)、IEEE Transactions on Electron Devices (TED)、Applied Physics Letters （APL）及學(xué)術(shù)會(huì)議Symposium on VLSI Technology (VLSI)、International Electron Device Meeting (IEDM)等發(fā)表論文120余篇，其中2篇期刊論文為ESI（基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)）高被引論文（Top1%）；論文累計(jì)SCI他引800余次，h因子17。已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利50余項(xiàng)，30項(xiàng)獲得授權(quán)；申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)，3項(xiàng)獲得授權(quán)。

興趣使然，劉力鋒從河北工業(yè)大學(xué)一路讀到中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所獲得博士學(xué)位，然后在北京大學(xué)完成博士后研究。那時(shí)，國(guó)際上還鮮有人提及“阻變存儲(chǔ)器”這個(gè)新興器件，他所在的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人康晉鋒教授卻敏銳地預(yù)感到其廣闊的應(yīng)用前景，于是率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開(kāi)相應(yīng)研究。劉力鋒也自然走上這條時(shí)代科學(xué)前沿的攻堅(jiān)之路。

十年磨一劍，如今的劉力鋒對(duì)阻變存儲(chǔ)器的了解有如庖丁解牛。研究初期，他的研究焦點(diǎn)集中在對(duì)于不同阻變材料的阻變機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解上；現(xiàn)在，他將研究聚焦在如何利用阻變材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的三維集成的阻變存儲(chǔ)器，獲得高密度低成本的器件，以滿(mǎn)足實(shí)際的存儲(chǔ)器件應(yīng)用需求。同時(shí)，開(kāi)展阻變器件的創(chuàng)新應(yīng)用研究。

理清阻變機(jī)制

基于阻變現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的器件稱(chēng)為阻變存儲(chǔ)器件（RRAM）?；诮饘傺趸锏淖枳兇鎯?chǔ)器可以同時(shí)滿(mǎn)足大容量非揮發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速度讀寫(xiě)的需求，被認(rèn)為是未來(lái)存儲(chǔ)器技術(shù)中最有競(jìng)爭(zhēng)力候選者之一。然而，對(duì)金屬氧化物阻變存儲(chǔ)器阻變特性的物理機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，阻礙了RRAM技術(shù)發(fā)展，“對(duì)阻變機(jī)制的爭(zhēng)論主要集中在阻變介質(zhì)中構(gòu)成導(dǎo)電通道的成分及形貌、不同形貌下的電流輸運(yùn)機(jī)制，以及導(dǎo)電通道連通和斷開(kāi)的原因等問(wèn)題”，劉力鋒說(shuō)，阻變機(jī)制不清就無(wú)法準(zhǔn)確地理解RRAM的各種本征和非本征特性，從而難以對(duì)RRAM器件的特性做出正確評(píng)估，也難以鑒別影響RRAM阻變特性的關(guān)鍵因素。同時(shí)，缺乏RRAM器件的準(zhǔn)確物理模型，難以對(duì)材料選擇和工藝技術(shù)的改進(jìn)提出有價(jià)值的指導(dǎo)。

在深入研究金屬氧化物RRAM阻變開(kāi)關(guān)特性的基礎(chǔ)上，劉力鋒及團(tuán)隊(duì)成員利用第一性原理計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于氧空位通道的電子跳躍導(dǎo)電輸運(yùn)機(jī)制，建立了以氧空位的產(chǎn)生和復(fù)合為基礎(chǔ)的統(tǒng)一描述氧化物單極型和雙極型RRAM電阻開(kāi)關(guān)特性的物理模型。

探究過(guò)程中，劉力鋒和團(tuán)隊(duì)成員們經(jīng)常開(kāi)會(huì)討論，爭(zhēng)論不斷，往往上午剛剛得出的結(jié)論下午就被推倒重來(lái)。然而，功夫不負(fù)有心人，最終他們研究提出了統(tǒng)一的阻變微觀(guān)機(jī)制——以統(tǒng)一的物理效應(yīng)和觀(guān)點(diǎn)闡明單、雙極阻變的微觀(guān)起源，可合理解釋在金屬氧化物阻變器件中觀(guān)測(cè)到的多種現(xiàn)象。據(jù)劉力鋒介紹，與之前所提的阻變機(jī)制不同，新機(jī)制重點(diǎn)突出了可動(dòng)氧離子的作用，同時(shí)首次指出了氧離子與氧空位的復(fù)合是由電場(chǎng)作用下的氧空位電子耗盡效應(yīng)決定，其對(duì)金屬氧化物基RRAM材料優(yōu)選和阻變開(kāi)關(guān)性能的優(yōu)化可謂具有重要的理論指導(dǎo)意義。基于阻變微觀(guān)機(jī)制，他們還進(jìn)一步研究發(fā)展了可以定量表征和預(yù)測(cè)阻變過(guò)程中相關(guān)物理效應(yīng)及阻變器件性能的模型。

優(yōu)化提高阻變性能和可靠性

盡管氧化物RRAM器件性能優(yōu)越，但普遍存在電阻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變不穩(wěn)定的問(wèn)題。隨著器件開(kāi)關(guān)次數(shù)的增加，將發(fā)生因高阻態(tài)電阻、低阻態(tài)電阻、置位電壓和復(fù)位電壓的退化而導(dǎo)致器件失效的不穩(wěn)定現(xiàn)象。劉力鋒從器件材料優(yōu)化和操作模式優(yōu)化兩個(gè)角度，對(duì)阻變器件特性的設(shè)計(jì)與性能改善方案做出指導(dǎo)性建議。

為了優(yōu)化阻變器件性能，劉力鋒歷經(jīng)大量時(shí)間篩選適合阻變材料和結(jié)構(gòu)。后來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)適量摻雜的阻變氧化層，電極材料以及界面層，同時(shí)引入電流掃描和優(yōu)化的脈沖操作模式，成功制備出具有高性能的阻變器件。據(jù)悉，其set阻變時(shí)間小于20ns，具有阻變穩(wěn)定的四級(jí)電阻態(tài)，多阻態(tài)的耐久循環(huán)次數(shù)超過(guò)106，在150度高溫下的電阻態(tài)保持測(cè)量數(shù)據(jù)外推可達(dá)10年。

在此基礎(chǔ)上，劉力鋒利用提出的RRAM的微觀(guān)阻變機(jī)制和理論模型，分析了影響氧化物RRAM器件阻變穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；結(jié)合金屬氧化物材料特性的第一性原理計(jì)算研究，提出了利用合適金屬離子摻雜改善RRAM阻變開(kāi)關(guān)均勻性的技術(shù)，同時(shí)提出摻雜離子種類(lèi)和工藝的優(yōu)化選擇方法。此外，還提出一種新型編程和擦寫(xiě)操作模式，可有效改善氧化物RRAM阻變參數(shù)的一致性，提出了利用器件材料優(yōu)化和操作模式優(yōu)化相結(jié)合改善阻變器件綜合性能的技術(shù)方案，為金屬氧化物RRAM綜合阻變性能的優(yōu)化提供了指導(dǎo)性建議。

優(yōu)化了阻變存儲(chǔ)器的穩(wěn)定性能，劉力鋒又面臨著提高其可靠性的問(wèn)題，“目前，阻變器件的可靠性還無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際器件應(yīng)用的需求，這也是阻礙RRAM器件邁向產(chǎn)品化的一個(gè)重要技術(shù)瓶頸”。可靠性問(wèn)題包括氧化物RRAM器件的保持特性失效現(xiàn)象，耐久力特性的失效行為等。RRAM阻變器件是基于新原理的存儲(chǔ)器件，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器件失效評(píng)測(cè)技術(shù)將不能完全適用于RRAM器件評(píng)測(cè)，因此亟需發(fā)展一個(gè)新的可靠特性評(píng)測(cè)技術(shù)方法。

針對(duì)RRAM阻變器件保持特性失效現(xiàn)象、耐久力特性失效行為，劉力鋒探討了氧化物RRAM的阻變開(kāi)關(guān)失效機(jī)制，提出了一種可以有效評(píng)測(cè)金屬氧化物RRAM失效概率和電阻態(tài)保持時(shí)間的物理模型，并建立金屬氧化物RRAM的高阻態(tài)和低阻態(tài)保持特性的評(píng)測(cè)方法；根據(jù)金屬氧化物RRAM耐久力特性的各種失效特性，提出了可描述其耐久力性能退化的物理模型，用于預(yù)測(cè)RRAM阻變開(kāi)關(guān)的耐久力特性。更重要的是，他提出了一種新型的器件操作模式，可將金屬氧化物RRAM器件的耐久力提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

創(chuàng)新阻變器件應(yīng)用

RRAM阻變器件除了在存儲(chǔ)器領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景外，還可能在邏輯電路中有所應(yīng)用。眾所周知，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)使用的是馮諾依曼體系，即計(jì)算和存儲(chǔ)分開(kāi)。它的缺陷顯而易見(jiàn)——運(yùn)行數(shù)據(jù)必須在存儲(chǔ)器和運(yùn)算器之間相互傳輸，傳輸效率會(huì)因此降低。而若能將一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算直接在存儲(chǔ)器中完成，就可以省去傳輸過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算效率。這也被稱(chēng)為非揮發(fā)邏輯功能。根據(jù)這一想法，劉力鋒希望研發(fā)出一種基于阻變現(xiàn)象的非揮發(fā)邏輯器件，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)和多值邏輯，“這將極大提高運(yùn)算效率，還可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更低的成本”。于是，他利用TiN/Gd:HfOx/Pt阻變器件實(shí)現(xiàn)了四進(jìn)制的加法操作，成功演示了RRAM器件可用于多值非揮發(fā)邏輯器件的功能。

再進(jìn)一步，劉力鋒開(kāi)展了RRAM阻變器件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算應(yīng)用研究。仿制生物大腦進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)計(jì)算一直是人類(lèi)追求的熱點(diǎn)問(wèn)題。他借鑒生物學(xué)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想，采用并行運(yùn)算的方法，實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能電路。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接利用電子器件制造硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算功能的設(shè)想逐漸進(jìn)入人們的視線(xiàn)。硬件神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在與生物大腦類(lèi)似的體積內(nèi)，以相似的能量消耗，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人腦的思考和計(jì)算。

阻變器件則是這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分。劉力鋒及團(tuán)隊(duì)通過(guò)阻變器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提出了基于三維RRAM結(jié)構(gòu)的電子神經(jīng)突觸，其具有高效的神經(jīng)形態(tài)學(xué)習(xí)能力，且響應(yīng)速度比生物突觸快100萬(wàn)倍，電路操作過(guò)程簡(jiǎn)單，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高密度、低能耗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了與當(dāng)前半導(dǎo)體工藝兼容的低成本解決方案。

U盤(pán)、RRAM存儲(chǔ)器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)……科技改變生活，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，因有像劉力鋒一樣的科學(xué)家不懈地努力與不斷突破，我們的生活會(huì)變得更加便利與美好。