做時代前沿的創(chuàng)新者

倪萍

劉力鋒，北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院教授。研究方向為新型存儲器集成技術和微納電子材料及應用。主持承擔國家重大專項02專項課題1項、國家自然科學基金項目2項，作為單位負責人承擔“863”計劃課題1項，作為5名學術骨干之一獲得2015年國家自然基金委創(chuàng)新群體項目。承擔本科生專業(yè)課《半導體材料》《半導體物理研討班》以及研究生課程《微電子學材料》。

在本領域核心學術期刊ACS Nano、Scientific Reports、IEEE Electron Device Letters （EDL）、IEEE Transactions on Electron Devices （TED）、Applied Physics Letters（APL）及學術會議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（基本科學指標數(shù)據庫）高被引論文（Top1%）；論文累計SCI他引800余次，h因子17。已申請中國發(fā)明專利50余項，30項獲得授權；申請國際發(fā)明專利5項，3項獲得授權。

興趣使然，劉力鋒從河北工業(yè)大學一路讀到中國科學院半導體研究所獲得博士學位，然后在北京大學完成博士后研究。那時，國際上還鮮有人提及“阻變存儲器”這個新興器件，他所在的團隊負責人康晉鋒教授卻敏銳地預感到其廣闊的應用前景，于是率領團隊展開相應研究。劉力鋒也自然走上這條時代科學前沿的攻堅之路。

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

理清阻變機制

基于阻變現(xiàn)象實現(xiàn)數(shù)據存儲的器件稱為阻變存儲器件（RRAM）?；诮饘傺趸锏淖枳兇鎯ζ骺梢酝瑫r滿足大容量非揮發(fā)數(shù)據存儲和高速度讀寫的需求，被認為是未來存儲器技術中最有競爭力候選者之一。然而，對金屬氧化物阻變存儲器阻變特性的物理機制認識不清，阻礙了RRAM技術發(fā)展，“對阻變機制的爭論主要集中在阻變介質中構成導電通道的成分及形貌、不同形貌下的電流輸運機制，以及導電通道連通和斷開的原因等問題”，劉力鋒說，阻變機制不清就無法準確地理解RRAM的各種本征和非本征特性，從而難以對RRAM器件的特性做出正確評估，也難以鑒別影響RRAM阻變特性的關鍵因素。同時，缺乏RRAM器件的準確物理模型，難以對材料選擇和工藝技術的改進提出有價值的指導。

在深入研究金屬氧化物RRAM阻變開關特性的基礎上，劉力鋒及團隊成員利用第一性原理計算并結合實驗研究，提出了基于氧空位通道的電子跳躍導電輸運機制，建立了以氧空位的產生和復合為基礎的統(tǒng)一描述氧化物單極型和雙極型RRAM電阻開關特性的物理模型。

探究過程中，劉力鋒和團隊成員們經常開會討論，爭論不斷，往往上午剛剛得出的結論下午就被推倒重來。然而，功夫不負有心人，最終他們研究提出了統(tǒng)一的阻變微觀機制——以統(tǒng)一的物理效應和觀點闡明單、雙極阻變的微觀起源，可合理解釋在金屬氧化物阻變器件中觀測到的多種現(xiàn)象。據劉力鋒介紹，與之前所提的阻變機制不同，新機制重點突出了可動氧離子的作用，同時首次指出了氧離子與氧空位的復合是由電場作用下的氧空位電子耗盡效應決定，其對金屬氧化物基RRAM材料優(yōu)選和阻變開關性能的優(yōu)化可謂具有重要的理論指導意義?；谧枳兾⒂^機制，他們還進一步研究發(fā)展了可以定量表征和預測阻變過程中相關物理效應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，但普遍存在電阻開關轉變不穩(wěn)定的問題。隨著器件開關次數(shù)的增加，將發(fā)生因高阻態(tài)電阻、低阻態(tài)電阻、置位電壓和復位電壓的退化而導致器件失效的不穩(wěn)定現(xiàn)象。劉力鋒從器件材料優(yōu)化和操作模式優(yōu)化兩個角度，對阻變器件特性的設計與性能改善方案做出指導性建議。

為了優(yōu)化阻變器件性能，劉力鋒歷經大量時間篩選適合阻變材料和結構。后來，通過設計適量摻雜的阻變氧化層，電極材料以及界面層，同時引入電流掃描和優(yōu)化的脈沖操作模式，成功制備出具有高性能的阻變器件。據悉，其set阻變時間小于20ns，具有阻變穩(wěn)定的四級電阻態(tài)，多阻態(tài)的耐久循環(huán)次數(shù)超過106，在150度高溫下的電阻態(tài)保持測量數(shù)據外推可達10年。

在此基礎上，劉力鋒利用提出的RRAM的微觀阻變機制和理論模型，分析了影響氧化物RRAM器件阻變穩(wěn)定性的關鍵因素；結合金屬氧化物材料特性的第一性原理計算研究，提出了利用合適金屬離子摻雜改善RRAM阻變開關均勻性的技術，同時提出摻雜離子種類和工藝的優(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)化相結合改善阻變器件綜合性能的技術方案，為金屬氧化物RRAM綜合阻變性能的優(yōu)化提供了指導性建議。

優(yōu)化了阻變存儲器的穩(wěn)定性能，劉力鋒又面臨著提高其可靠性的問題，“目前，阻變器件的可靠性還無法滿足實際器件應用的需求，這也是阻礙RRAM器件邁向產品化的一個重要技術瓶頸”。可靠性問題包括氧化物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器件，傳統(tǒng)的存儲器件失效評測技術將不能完全適用于RRAM器件評測，因此亟需發(fā)展一個新的可靠特性評測技術方法。

針對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的阻變開關失效機制，提出了一種可以有效評測金屬氧化物RRAM失效概率和電阻態(tài)保持時間的物理模型，并建立金屬氧化物RRAM的高阻態(tài)和低阻態(tài)保持特性的評測方法；根據金屬氧化物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，用于預測RRAM阻變開關的耐久力特性。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數(shù)量級。

創(chuàng)新阻變器件應用

RRAM阻變器件除了在存儲器領域有廣闊應用前景外，還可能在邏輯電路中有所應用。眾所周知，現(xiàn)有計算機使用的是馮諾依曼體系，即計算和存儲分開。它的缺陷顯而易見——運行數(shù)據必須在存儲器和運算器之間相互傳輸，傳輸效率會因此降低。而若能將一些簡單的運算直接在存儲器中完成，就可以省去傳輸過程，從而實現(xiàn)更高的運算效率。這也被稱為非揮發(fā)邏輯功能。根據這一想法，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，可以同時實現(xiàn)多值存儲和多值邏輯，“這將極大提高運算效率，還可以簡化電路結構，實現(xiàn)更低的成本”。于是，他利用TiN/Gd：HfOx/Pt阻變器件實現(xiàn)了四進制的加法操作，成功演示了RRAM器件可用于多值非揮發(fā)邏輯器件的功能。

再進一步，劉力鋒開展了RRAM阻變器件的神經網絡計算應用研究。仿制生物大腦進行神經形態(tài)計算一直是人類追求的熱點問題。他借鑒生物學中的神經網絡的思想，采用并行運算的方法，實現(xiàn)人工神經網絡功能電路。隨著集成電路技術的發(fā)展，直接利用電子器件制造硬件神經網絡系統(tǒng)，從而實現(xiàn)神經形態(tài)計算功能的設想逐漸進入人們的視線。硬件神經網絡系統(tǒng)可以在與生物大腦類似的體積內，以相似的能量消耗，實現(xiàn)類似人腦的思考和計算。

阻變器件則是這種人工神經網絡中的重要組成部分。劉力鋒及團隊通過阻變器件結構創(chuàng)新，提出了基于三維RRAM結構的電子神經突觸，其具有高效的神經形態(tài)學習能力，且響應速度比生物突觸快100萬倍，電路操作過程簡單，為實現(xiàn)大規(guī)模、高密度、低能耗的神經網絡系統(tǒng)提供了與當前半導體工藝兼容的低成本解決方案。

U盤、RRAM存儲器、人工神經網絡……科技改變生活，相信在不遠的將來，因有像劉力鋒一樣的科學家不懈地努力與不斷突破，我們的生活會變得更加便利與美好。endprint