突破：芯片存儲(chǔ)容量提高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(kāi)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(guò)極化現(xiàn)象來(lái)存儲(chǔ)信息，其中電偶極子（如鐵電內(nèi)部的NS磁場(chǎng)）被外部電場(chǎng)對(duì)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?，功耗更低，甚至在電源關(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(guò)減小芯片尺寸來(lái)集成盡可能多的設(shè)備。對(duì)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(wàn)個(gè)原子。因此，當(dāng)前對(duì)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(guò)向稱(chēng)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(lái)存儲(chǔ)1位數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)開(kāi)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(kāi)發(fā)半納米制造工藝技術(shù)鋪平道路，這對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)開(kāi)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(shuō)：“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(jí)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(shuō)：“ HfO2在當(dāng)今的存儲(chǔ)晶體管中很常用，通過(guò)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(kāi)發(fā)半納米制造工藝技術(shù)鋪平道路，這對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)開(kāi)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。