【科学综述】存储材料与器件：从概念到应用

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原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12077

综述简介

人工智能、物联网以及云计算的蓬勃发展对存储技术的多样化功能、高密度、超快速度的要求达到了一个前所未有的高度。然而由于物理定律的限制，随着器件尺寸的不断微缩，栅漏电、静态功耗、存储架构等问题严重阻碍着各类新兴存储技术的发展。逐渐兴起的新一代存储单元有望极大地提升存储性能并拓宽应用，从而推动非冯诺依曼计算存储结构的发展。正当此时，复旦大学周鹏教授联合中国前沿存储技术及应用研究单位清华大学吴华强教授、北京大学蔡一茂教授、中国科学院微电子研究所刘琦研究员及深圳大学饶峰教授在InfoMat上发表了题为：“Memory materials and devices: From concept to application.”的综述文章。文章主要总结了现有新型数据存储技术，包括阻变存储技（RRAM）、相变存储技术（PRAM）、自旋转移矩磁存储技术（STT-MRAM）以及基于新材料的二维半导体存储技术（2D Memory）等。文章从基本概念出发，详细阐述了新材料、新器件、新结构的发展和其在存储、存储计算一体化的应用，并对未来存储技术的需求进行了展望。

文章首先对二维材料以及其存储器件进行了介绍。作为一种新兴的材料体系，二维材料不仅具有原子级别的厚度，还拥有许多新奇的物理特性。这使得二维材料不仅仅可以在原子级别实现传统存储器的结构，同时也凭借本身新奇的特性成功制备了多种新型存储单元。可扩展性以及优异存储性能一直使得RRAM一直是高密度存储的良好选择。从RRAM的原理出发，进而讨论了RRAM高性能器件以及神经计算应用。紧接着，作者介绍了MRAM的发展过程以及基于其工作原理。MRAM本身的工作特性决定了本身简单的结构以及与电路良好的兼容性使其成为下一代存储的优良选择。现阶段，商用PCRAM产品已经可以实现数十纳秒级别的操作，因此针对PCRAM的技术革新进行了简要的介绍。

最后对于现阶段新型存储器的发展进行了总结与展望，为存储相关领域的研究人员的工作提供了参考。现阶段新兴存储技术虽然处在不同的发展阶段，但都非常具有前景与潜力，在未来有与其适应的架构配合会推动存储技术的发展与应用。

个人简介

图 | 周鹏（复旦大学）

周鹏教授，复旦大学微电子学院副院长。2000年和2005年分别获复旦大学学士和博士学位。研究方向为集成电路新型存储与逻辑集成等。主持了国家自然科学杰出青年基金（2019）、应急重点项目、优秀青年科学基金（2016）、面上基金等项目，参与了多项国家《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》重大专项项目，参与了科技部重点研发计划、973计划、863重大项目等，获得中组部万人计划科技创新领军人（2018）、科技部中青年科技创新领军人才（2018）、上海市青年科技启明星（2013）、上海市曙光计划（2018）等人才计划支持。以第一/通讯作者已发表SCI论文80篇,包括2篇Nature Nanotechnology,1篇1 Nature Electronics,3篇Advanced Materials等。近三年受邀在国内外会议做邀请报告30余次，包括Nature conference的Keynote报告、中国物理年会秋季会议、全国半导体物理大会、中国真空物理学会、China Nano等邀请报告。作为客座编辑主持了Small、Advanced Electronic Materials和Nanotechnology等期刊专刊。

图 | 吴华强（清华大学）

吴华强， 清华大学微纳电子系，教授，副系主任，清华大学微纳加工平台主任，北京市未来芯片技术高精尖创新中心副主任。2000年毕业于清华大学材料科学与工程系，获得工学学士学位；同年获清华大学经济管理学院管理学士学位（双学位）。2005年在美国康奈尔大学（Cornell University）电子与计算机工程学院获工学博士学位。随后在美国AMD公司和Spansion公司非易失性存储器研发中心任高级研究员和主任研究员，从事先进非易失性存储器的架构、器件和工艺研究。2009年，加入清华大学微电子学研究所，研究领域为新型半导体存储器及基于新型器件的类脑计算研究。先后负责多项自然科学基金、863、973和重点研发计划多项课题。在Nature Communications, Nature Electronics, Nano Letters, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Scientific Reports等期刊和国际会议发表论文100余篇，获得美国授权发明专利21项，获得中国授权发明专利32项。

图 | 蔡一茂（北京大学）

蔡一茂，北京大学信息科学技术学院教授，博士生导师，教育部长江青年学者，受聘为教育部2017年度“长江学者奖励计划”青年学者。其研究领域主要在先进存储器技术、柔性电子及智能芯片关键技术。2000年获得北京师范大学物理学专业学士学位，2006年获得北京大学固体电子学与微电子学专业博士学位。随后在韩国三星电子存储器研发中心任高级研究员，从事先进非挥发性存储器架构和工艺研究。2009年，加入北京大学微电子学研究院，现任教授，北京大学微纳电子学研究院副院长。主持国家重大专项、863课题、自然基金委项目等十余项国家级项目，在包括IEDM，IEEE-EDL等在内的专业期刊和国际会议上发表论文百余篇，获得中国发明专利授权30余项，美国专利授权十多项，部分成果已被国际半导体发展路线图（ITRS）采用以及被中芯国际集成电路制造公司共享使用。任《中国科学：信息科学》编委，《集成电路系列丛书》、《集成电路工业全书》编委，IEEE Electron Device Letters、IEEETransactions on Electron Devices等专业期刊评审人。

图 | 刘琦（中国科学院微电子研究所）

刘琦，中国科学院微电子研究所研究员。2002年毕业于安徽大学物理系。2010年于安徽大学电子工程信息学院（中国科学院微电子研究所联合培养）获得博士学位。之后加入中国科学院微电子研究，长期从事纳米加工与新型纳米电子器件的研究工作，主要研究方向包括新型非易失存储技术，神经形态器件，类脑计算等。主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰青、优青等项目。获得国家自然科学二等奖1项（排名2）、中国科学院杰出科技成就奖（排名4）、中国电子学会科学技术一等奖1项（排名2）、北京市科学技术二等奖1项（排名2）、中国科学院卢嘉锡青年人才奖。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、IEEE-EDL等期刊发表SCI论文100多篇，SCI他引4000多次，H因子32，获得授权中国发明专利36项，美国专利5项。 

图 | 饶峰（深圳大学）

饶峰，博士，特聘教授，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者，深圳市国家级领军人才。2001年于中南大学获得工学学士。2009年于中国科学院上海微系统与信息技术研究所获得工学博士。随后在中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室任副研究员，硕士生导师。2016年加入深圳大学材料学院。其研究领域包括相变材料以及存储器件。在Science、Nat. Commun.、Chem.Mater.、Nano Energy、Nano Res.等知名期刊发表第一作者及通讯作者署名SCI论文50余篇，总SCI论文100余篇；获中国授权发明专利44项（美国专利3项），其中第一发明人授权专利8项（美国专利2项）；Scientific Reports杂志特邀编辑。曾获得中科院院长优秀奖、中科院优秀博士学位论文奖、全国百篇优秀博士论文提名奖、上海市青年科技启明星、中科院青年创新促进会首批会员、中科院卢嘉锡青年人才奖等荣誉。主持中国科学院战略性先导科技专项（A类）子课题、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、上海市青年科技启明星计划项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、广东省基础重大研究项目、深圳市基础研究学科布局、自由探索项目各一项；作为研究骨干，参加国家重大科学研究计划项目（A类）、国家科技重大专项项目等四项。

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