近期，復旦大學微電子學院江安全課題組柴曉杰和江均等聯合韓國首爾大學、英國圣安德魯斯大學、中北大學、中科院物理所、浙江大學和華東師范大學以及濟南晶正公司等研發出的新型鐵電疇壁存儲器，采用鈮酸鋰單晶薄膜材料與硅基電路低溫鍵合，存儲介質無缺陷、晶界和空洞等，突破了新型多晶薄膜存儲器的單元一致性和高可靠性集成技術的瓶頸。

鈮酸鋰晶體是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變等效應于一身的人工合成晶體，原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體，國內外生產廠商眾多，常應用于聲表面波、電光調制、激光調 Q、光陀螺、光參量振蕩 / 放大、光全息存儲等。目前研制成功的 6 英寸大面積摻雜鈮酸鋰單晶薄膜表面具有原子層平整度，能夠與硅基電路實現低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩定，可靠性高。8-12 英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發過程中，預計不久能夠推向市場。

圖 1 上，鈮酸鋰薄膜與硅基電路的晶圓低溫鍵合；下， 三維堆垛方案。 ?圖源：復旦大學微電子學院 ?下同

圖 2 上左，鈮酸鋰(LNO)存儲單元與左右電極(L&R)接觸的掃描電鏡成像；上右，不同尺寸存儲單元的電流 - 電壓曲線；下，存儲單元的原子力形貌像和面內電疇的壓電成像。

圖 3 左，鐵電疇在源(D)、漏(S)和柵(G)電壓控制下反轉所形成疇壁的相場模擬結果；右，源電壓(Vd)作用下柵脈沖電壓(Vg)觸發的非揮發開關電流(Ig)。

據悉，研究團隊采用納米加工技術在薄膜表面制備出 15-400nm 大小不等的鐵電存儲單元，通過施加面內電場產生平行和反平行的鐵電疇結構，電疇間形成可擦寫的高電導疇壁，可非揮發地存儲邏輯“0”和“1”的信息，1V 下讀出電流最高可達 1.7 μA，且具有單向導通特性，開關比大于 105。同時證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應用于大規模交叉棒集成陣列，突破傳統鐵電存儲器高密度發展的技術瓶頸。存儲器讀寫速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫次數基本不限，保持時間大于 10 年，可實現三維堆垛。

此外，團隊在以上存儲器的研究基礎上集成了非易失性的全鐵電場效應晶體管，這種無結的場效應管具有極低的漏電流、超快的操作速度、導通電流可達~110 μA μm-1、亞閾值擺幅接近于零。在源、漏和柵等電脈沖作用下可實現單刀雙擲開關功能，與鐵電存儲器同質集成能夠實現簡單的邏輯運算，實現存算一體化，有望突破“存儲墻”限制，預計可規模化生產。

據了解，該存儲技術均為該團隊原創，復旦大學擁有全部自主知識產權，并獲發明專利 10 項。承擔該項工作的博士生柴曉杰和項目研究員江鈞為共同第一作者。該項工作得到了洪家旺、張慶華、王杰、黃榮、James F. Scott 和 Cheol Seong Hwang 等國內外知名專家的頂力支持和幫助。該項目得到上海市科技創新行動計劃基礎研究項目、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金和國家自然科學基金項目等的專項資助。

該研究成果以《與硅底集成和自帶選擇管功能的 LiNbO3 鐵電單晶疇壁存儲器》（“Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers”）為題發表于《自然 - 材料》（Nature Materials），以《非易失性全鐵電場效應管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）為題發表于《自然 - 通訊》（Nature Communications）。