【InfoMat专访系列之青年科学家】华中科技大学徐明教授专访:基础研究与产业化并行的相变存储器

个人简介

徐明,华中科技大学教授,微电子学系主任。于2005年和2008年在复旦大学信息学院获得本科和硕士学位,并在2013年在美国约翰霍普金斯大学获得博士学位。之后受到洪堡奖学金的资助,于2013-2016年间在德国亚琛工业大学进行博士后研究。2016年正式加入华中科技大学光学与电子信息学院,获批国家海外高层次青年人才计划。长期从事相变存储器件与芯片的研发,挖掘非晶硫系材料的局部结构和性质的关系,并研究和制备高性能硫系化合物选通管、忆阻器及存算一体类脑器件。已在存储器领域发表70余篇高质量论文,包括PRL、PNAS、AFM、IEEE EDL等。担任中国存储器产业联盟副秘书长,多项相变存储器相关的发明专利已经实现转化。

课题组网站:http://ismd.hust.edu.cn/

夯实基础,结缘相变存储器领域

您能否简要介绍课题组的工作?

目前我在华中科技大学信息存储材料及器件研究所(缪向水教授团队)工作,整个研究所的工作聚焦于主流及新型存储器,如3D NAND闪存、三维相变存储器、忆阻器及存内计算等。基于我在研究生及博士后期间受到的科研训练,我带领的研究小组主要聚焦在硫系相变存储器的材料物理、高性能单元器件、三维集成和类脑计算应用等方面的研究。

当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您开始相变存储器领域的研究呢?

我从小就对探索物理世界有着浓厚的兴趣。本科考入了复旦光学系后又在约翰霍普金斯大学获得材料学博士学位,然后到亚琛工大物理所从事博士后研究,现在在华中科技大学微电子学院工作。虽然专业一直在换,但这些基础知识给我提供了不同的视角来看问题,尤其是相变存储这个领域,它蕴含着丰富的物理(我的博士后导师Matthias Wuttig教授用一辈子的时间都在研究相变材料的物理机制),同时它又有着很好的产业化前景(Intel已发布基于3D XPOINT技术的傲腾存储芯片)。

您发表了多篇优秀文章都涉及非晶结构在相变存储器电阻转变和性能调控中的关键作用,您可以简单总结一下通过非晶结构调控来提升相变存储器件性能的这种方法以及它的优缺点吗?

每一种半导体存储器都有独特的电阻转变机理,如闪存靠浮栅对电子的储存释放、阻变存储器靠导电细丝的通断,而相变存储器靠的是非晶和晶体之间的快速转变。我们通过XRD、TEM和密度泛函理论对晶体材料的研究已经相当深入,然而对非晶材料的构效关系却知之甚少,这也是《科学》杂志评出的21世纪人类尚未解决的125个难题之一。我从研究生阶段就开始研究硫系非晶材料的结构,博士期间又师从非晶大师马恩教授,对相变材料的非晶结构进行了系统深入的研究。

相变存储器的性能和它的非晶结构有着密切关系。例如,非晶结构的老化弛豫导致了“电阻漂移”、非晶的形核结晶决定了器件的擦写速度、非晶的稳定性决定了存储器的寿命等等。非晶没有像晶体一样的对称结构,然而它却有“短程有序结构”,即每一个原子都会和它的临近原子组成独特的多面体结构。我们发现,非晶相变材料的短程结构主要由“八面体”构成,在掺杂的时候我们只需要对其短程结构进行调控就可以改进相变存储器的性能,例如我们在材料里面掺入C、Ga等四面体结构就可以将存储器的工作温度提高100度,而掺入Sc、Sn等八面体结构可将其擦写速度提高1-2个数量级。产业化的要旨:校企合作,信息对等

您认为相变存储材料及器件现存的挑战和问题有哪些?未来的发展趋势如何?

相变存储器是目前最快产业化的新型存储器,其工艺较为成熟,因此我国的一些半导体龙头企业都将其纳入优先度极高的战略目标。然而,当目前3D NAND闪存的堆叠层数已经接近200层时,主流的三维相变存储器只能堆叠两层。这是由于相变存储器在“1”“0”转换的时候,需要对介质材料进行熔化淬火,此过程消耗极大能量且产热严重,尤其在三维集成中该问题非常突出。相变存储的功耗发热也是我们课题组在努力解决的问题。除此以外,相变存储器还需要与硫系“选通管”(OTS)集成,这也是三维集成工艺的难点。尽管存在以上的一些缺点,相变存储器凭借其与内存(DRAM)媲美的擦写速度(< 10 ns)、超高稳定性(85摄氏度下存放十年以上)、惊人的擦写次数(1万亿次)及其机理和工艺的成熟度,使其在下一代存储器中脱颖而出。从我们的研究和目前世界各大公司对其重视的程度,我们相信在未来5年左右就能看到相变存储器对现有存储计算架构的改变。

针对现在存储器的研究状况,您认为在对基础科研进行成果转化方面,有哪些困难和挑战呢?您的团队有对科研成果进行产业化发展的计划吗?

我认为最大的困难是企业和高校的“信息不对称”,即高校的老师对企业的需求不太了解,同时企业也不清楚高校的科研进展。华中科技大学作为一个老牌工科学校,在成果转化和服务国民经济方面一直走在前头,尤其是缪向水教授团队很早就开始布局,与武汉新芯、长江存储、华为等公司保持密切的合作。在多年以前将“相变测试技术”等专利转让给了武汉嘉仪通公司,利用该技术生产的薄膜测试仪销售额已经达到一亿元,2020年获湖北省技术进步一等奖。同时团队致力于解决存储芯片的“卡脖子”问题,与长江存储、华为等公司合作研发三维相变存储器,在2019年底已将93项相关专利许可给长江存储,并成立了国内第一个华为与高校的联合实验室,希望将科研成果写在祖国大地上,为国家安全和人民生活作贡献。

最近涌现了许多关于神经网络与计算的优秀文章,您觉得相变材料及器件在神经特性的实现上具备哪些优势呢?

相变存储器通过光电调控可以使其电学和光学性质发生缓变和突变,可以模拟生物的神经元和突触,因此不管在人工神经网络(ANN)还是下一代脉冲神经网络(SNN)中都有潜在应用。《Nature》等顶级期刊多次报道了IBM和欧洲大学将相变材料做成电子和光学类脑芯片的工作,该芯片具有精度高、操作速度快、稳定性好、工艺成熟等优点。我们近期对这些工作进行了一个综述( “Recent Advances on Neuromorphic Devices Based on Chalcogenide Phase‐Change Materials” Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2003419.),系统总结了相变材料用于类脑芯片的原理、现状和优缺点。

砥砺前行,付出终有回报

作为《InfoMat》的青年编委,能否请您简单谈谈对期刊的期许?您认为我们还可以从哪些方面努力提高期刊的水平和影响力?

我们希望《InfoMat》可以成为信息材料领域的顶刊。目前来看《InfoMat》的第一个影响因子会很高,但是如果要提高期刊的影响力,还需要在保证文章质量的前提下,增加期刊的体量。此外,我认为《InfoMat》要和Wiley的其他期刊有区分度,不能仅仅为了提高影响因子而发表热门材料。例如,PNAS、PRL、Acta. Mater.、IEEE EDL等期刊虽然影响因子不高,但是仍然是生物、物理、金属、电工方面有口皆碑的顶刊,而它们成功的秘诀就是常年坚持发表自己领域最好的工作。

对于进入课题组的研究生和博士生,您是如何培养他们的个人能力的呢?

我认为最重要的是要因材施教,每个学生性格、教育背景都不同,应该给他们定制不同的培养方案。同时需要给学生较大的研究自由度但也不能太过于放任,当然这些平衡点都不太容易拿捏,我们老师也需要不停的学习。

请您送一句话给已经踏上科研征途的博士研究生们。

夯实基础,砥砺前行,付出终有回报。