原位TEM揭示电场诱导相变驱动的氮化物基非挥发性存储器

随着物联网、人工智能及大数据分析技术的广泛普及，现代信息系统对数据存储容量与处理速度的需求正呈现出指数级增长的态势。为了解决中央处理器与挥发性主存储器之间由数据传输瓶颈引发的“存储墙"问题，业界提出了近存计算与存内计算等创新架构，这对非挥发性存储技术的高速化与低功耗化提出了更为严苛的要求。由于现有的挥发性主存储器与传统非挥发性存储介质之间存在巨大的延迟鸿沟，不仅限制了系统的响应速度，更造成了显著的能源浪费，因此开发一种既能实现纳秒级读写，又具备可靠性并与互补金属氧化物半导体工艺深度兼容的新型存储方案，已成为当前半导体领域的研究重心。

尽管目前已有多种新兴非挥发性存储技术投入研究，但它们在实际应用中依然面临着难以兼顾的性能瓶颈与技术挑战。磁随机存储器受限于高写入电流带来的功耗与缩放难题，铁电随机存储器则存在破坏性读取及耐久性不足的缺陷。相变存储器在状态切换时需要电流来熔化材料，而氧化还原型阻变存储器通常依赖复杂的预成型工艺，且因导电细丝形成的随机性导致读写一致性较差。更为棘手的是，这些主流新兴存储技术在高温环境下普遍会出现性能急剧恶化的问题，严重限制了其在工业控制及航空航天等高标准场景中的应用前景。

针对上述问题，由新加坡国立大学、浙江大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，通过在铝钪氮薄膜中利用电场诱导纤锌矿与岩盐矿结构间的可逆相变，成功研制出一种兼具纳秒级开关速度、超低操作电压高温稳定性的新型非挥发性存储器。

该研究开发了一种基于氮化铝钪材料的电场诱导相变存储器，简称EPTRAM，为解决传统非挥发性存储器的功耗与耐用性瓶颈提供了新路径。科研人员发现，通过精确调节钪在铝钪氮合金中的掺杂比例，可以在纳米薄膜中实现从高电阻纤锌矿相到高电导岩盐矿相的可逆转变。这种新型机制不依赖于传统阻变存储器中随机且不稳定的导电细丝，也不需要相变存储器所需的大电流焦耳热驱动，从而在根本上规避了结构随机波动带来的可靠性问题，为构建高一致性的存储阵列奠定了坚实的物理基础。

图1 主要展示了不同Sc组分Al₁₋ₓScₓN薄膜的晶体结构和基础电学行为

在电学性能评估中该器件展现的综合指标，特别是在极低电压操作环境适应性方面实现了显著跨越。实验数据显示，该存储器在低于0.3伏的超低电压下即可完成状态切换，其写入速度快至3纳秒以内，且单位比特的操作能耗极低，优于绝大多数已报道的同类技术。更具突破性的是，该器件在583开尔文的高温环境下依然能够稳定运行，其写入循环寿命超过一亿次，这一指标比目前主流的新兴非挥发性存储器高出两个数量级，充分证明了其在航空航天及工业电子等严酷工况下的巨大应用潜能。

图2 集中展示了Pt/Al₀.₇Sc₀.₃N/Pt器件的核心性能指标

为了从原子尺度解析这一物理过程，研究团队利用原位扫描透射电子显微分析技术对相变区域进行了实时观测。在此过程中，泽攸科技研发生产的原位样品杆发挥了关键作用，它能够为纳米级薄膜提供稳定的电场激励，并在透射电镜内部同步采集高精度的电流电压数据。借助该仪器的精密控制，科研人员得以直接观察到纤锌矿与岩盐矿结构在电场驱动下的动态演变过程，排除了焦耳热或机械应力的主导影响，确证了氮离子迁移诱导的相变是实现非挥发性存储的核心科学原理，为理解三族氮化物的物理特性提供了新证据。

图3 重点验证器件在高温环境中的工作可靠性

图4 从原位TEM/SAED角度直接揭示了器件阻变的微观机制

针对未来大规模集成的实际需求，该研究进一步探讨了器件的微缩效应及其与主流半导体工艺的兼容性。研究通过有限元仿真与实验验证表明，当器件特征尺寸缩小至纳米级时，局域电场的增强反而有助于提升相变效率，预示着其具备优异的扩展潜力。此外团队成功构建了兼容互补金属氧化物半导体的单晶体管单电阻架构，有效解决了存储阵列中的串扰电流问题，为将这一电场诱导相变技术转化为高性能、高密度的通用型存储系统提供了切实可行的技术路线图。

图5 从综合指标上评估EPTRAM相对于现有RRAM和PCM等技术的竞争力

FEI双倾探针杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。

返回列表