□ 宋志棠 朱 敏

    随着物联网、5G通讯、人工智能、元宇宙等技术的快速发展，高密度与海量存储成为大数据时代信息技术与数字经济发展的关键瓶颈。英特尔于2017年推出当今世界最先进的三维相变存储与近存计算架构。基于双向阈值开关选通管开关突破存储阵列三维集成，实现了256Gb新型海量存储芯片，在高能效计算与数据中心应用中显示出巨大的商业价值，但双向阈值开关材料组分复杂，引起成分偏析制约了存储寿命和密度进一步提升。

    为了找到材料简单、均一性的开关器件，我们的研究团队系统地研究了所有双向阈值开关材料。1968年发现至今，双向阈值开关材料虽开发出30余种不同的材料，但它们在元素构成上均含有硫系元素——硫、硒、碲。因此，所有双向阈值开关材料可以归结为三类：硫基、硒基和碲基。那么，碲本身是否就具有开关特性？

    针对这些问题，研究团队制备了60—200纳米电极T形单质碲器件，碲薄膜厚度大约20纳米。

    由于单质天然的组分均一性，单质碲器件可以避免因分离引起开关器件失效。单质碲器件能够在10次、100次、1000次等方波电压脉冲激励下，每次实现完全打开和关闭，最高能实现2×10^8次的循环操作，通过采集给定脉冲作用下的直流I-V曲线，获得单质碲多次操作后的开态和关闭电流，开关比仍然超过1000。

    通过原位通电实验监测碲器件的开关过程，来揭示单质碲开关器件的开关机理。由于沉积态碲为晶态，刚开始单质碲器件处于关闭状态，几乎没有电流通过，当电压增大超过2.5伏特时，单质碲薄膜开始熔化，而晶态碲具有类金属的低电阻率，因而产生了亚毫安级别的大开态电流。当外加电压撤去后，液态碲由于非常低的结晶温度和纳秒级的结晶速度，自发开始结晶，肖特基结重新形成，器件回到关闭状态。

    基于晶态—液态新型开关机理，单质碲开关器件与传统晶体管等完全不同，它是一种全新的开关器件。目前，研究团队已申请中美专利，在大数据时代参与国际竞争。该技术的突破为我国发展海量存储和近存计算提供了技术方案，奠定了坚实的基础。相关研究成果2021年12月9日在国际著名学术期刊《自然》上发表。

    《自然》杂志发表专题评论文章指出，研究团队取得的成绩是前所未有的，为实现晶态单质开关器件提供了稳健的方法，为大规模量产所需简单的开关材料这个目标，提供了一个新的思路——只用一个元素，提供了极具吸引力的开关特征。

    （第一作者系中国科学院上海微系统与信息技术研究所特聘研究员，第二作者系中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员）