隨著萬物智聯時代的到來，人工智能、智能汽車等新興應用場景對存儲提出了更高的性能要求。我國當前正在大力發展存儲產業，除了在傳統存儲器上努力實現追趕，也在提前布局新型存儲器，這將是未來存儲產業生態的重要部分。

“鐵電存儲器具有高速、低功耗、高可靠性的優點，成為下一代非揮發性存儲器的有力競爭者之一。”在日前舉行的2021年北京地區廣受關注學術成果報告會(集成電路領域)上，中國科學院微電子研究所副研究員羅慶告訴科技日報記者，傳統的鐵電材料與標準的CMOS工藝兼容性和尺寸微縮難的問題一直制約著鐵電存儲器的發展，HfO2基鐵電材料的發現，開啟了鐵電存儲器研究的新時代。

鐵電存儲器升級迭代

“計算機的存儲架構分成非常復雜的存儲層級，從緩存到內存再到固態硬盤。”據羅慶介紹，在很長一段時間里，這樣的存儲體系是不會影響到整體運行速度的，但是隨著CPU運算速度的不斷提高，復雜存儲器層級導致數據不斷進行搬運，復雜的存儲層級其實已經變成了制約整個系統性能提升的主要的限制因素。

在他看來，構成復雜存儲層級的根本原因是當前的主流存儲器依舊是傳統存儲模式——都是采取電荷存儲方式，這種機理就直接導致了速度和非易失是一個矛盾的關系。

鐵電存儲器的研究始于上個世紀50年代，鐵電材料則在上個世紀20年代就有已經開始，90年代逐漸開始商用。如今，隨著工藝水平的提升，如何繼續微縮遭遇技術瓶頸。被稱為“第三代鐵電存儲材料”的鐵電HfO2讓這個事情找到了一個新的解決方案。

“新型存儲是未來存儲產業生態重要部分，鐵電存儲方式理論上可以打破傳統存儲模式的瓶頸。”羅慶表示，鐵電存儲原理不同于DRAM和Flash，它是通過不對稱的晶格結構來存儲0和1的。HfO2基鐵電存儲器相比傳統鐵電存儲器具有顯著的工藝優勢，“體型”更小，密度更高。

“HfO2基鐵電和傳統鐵電有著本質區別，高兼容性促使存儲器密度可以做大。”羅慶進一步解釋說，傳統鐵電存儲器只能做小規模嵌入式應用，很大一個問題是緣于其非標工藝。HfO2基鐵電幾乎完美的解決了傳統鐵電這些問題。

應用爆發尚需時日

“鐵電存儲器的終端主要是小型IC卡、可穿戴的設備等。”羅慶坦言，HfO2基鐵電存儲器的商用還得等幾年。“作為小容量可穿戴設備、物聯網終端、或者某個SoC芯片的嵌入式應用，將在未來比較短的時間內落地，但是要替代DRAM或者Flash等主流存儲器，還有很遠的路要走。”

談及制約HfO2基鐵電器件應用落地的主要障礙，羅慶總結，一方面缺乏來自企業的研發和投入，如果企業能夠加大投入，FRAM(鐵電隨機存儲器)小規模應用指日可待;另一方面，FeFET(鐵電晶體管)的可靠性仍需優化，這也是面向高密度應用必須要解決的問題。

令羅慶焦急的是，“存儲到目前為止，還是依賴進口。在新型存儲器科研領域，我們并不落后于國外，甚至在某些細分領域還處在領先地位。若想擁有自主產權，還需產業界加大投入，產業界和學術界協同配合，共同發力。”

對于團隊今后的研究重點，羅慶表示，近兩年將致力于HfO2基鐵電的機理研究;并且加強與產業界的合作，實現FRAM存儲芯片的功能演示，希望能推動FRAM盡快走向應用。

(朱麗)