大到数据中央，小到小小芯片，都离不开动态内存（DRAM）。现在通用的DRAM有一个致命缺陷，那便是怕断电———一旦断电，内存中的数据就会瞬间消逝，再也找不回来。虽然也有可随时保存数据的闪存（FLASH），但数据擦写、读取都很慢，科学家总希望找到一种更完美的下一代存储器。
相变存储器（PCM）便是这样一种空想的存储器：它通过电流和电场的开关，让存储材料在晶态和非晶态间切换。一开一关改变的是材料的物理状态，纵然断电，这种状态也不会消逝，同时还可快速擦写。以100兆数据搜索为例，用PCM只需1秒，比传统存储器快了19倍，而100兆的数据量相称于一部《二十五史》的信息量。
随着数字经济、5G、物联网、人工智能的兴起和发展，数据爆发式增长，人类社会正步入到以大数据为特色的智能化时期，这对信息存储和处理带来极大寻衅。PCM也从二维向三维发展，制造工艺对三维PCM（3D PCM）材料提出了更为苛刻的哀求。早在2002年，宋志棠就开始关注这个方向。他的课题组从2003年开始不断探求适宜做3D PCM的相变材料和开关材料。
“当全天下探求的开关材料越来越繁芜，我们却想反其道而行之。”2017年，宋志棠的学生朱敏结束德国“洪堡学者”访学项目归国，加入研究组，开始重新核阅一种广为人知的半导体材料——碲。
朱敏研究员阐明，材料组成越繁芜，在纳米尺度上就越难做得均匀，这样就制约了3DPCM的寿命和存储密度的提升。他们在实验中创造，单质碲竟然还有着尚未被人们察觉的特性：它可以在-10℃至400℃的宽广温度范围内，在电压浸染下，在具有半导体特性的晶态与具有类金属特性的液态之间快速切换，从而形成肖特基结或欧姆打仗。
由于单质碲材料最大略，液态时电阻跟金属一样低，故而驱动电流强大、性能稳定，开关寿命可长达1亿多次，且泄电量小。而且，单质碲的沉积无需高温，这对付存储器的3D层叠加工至关主要。
经由四年多攻关，研究组在世界上创始了新型单质碲存储开关器件。《科学》杂志高等编辑布伦特·格罗乔斯基以“单质开关”为题揭橥评论认为，这种纯碲器件“能够进行快速的相转变”“为避免多元素相变材料引发的问题，供应了十分吸引人的运用前景”。意大利国家研究委员会微电子和微系统所教授拉法埃拉·卡拉尔科认为，宋志棠、朱敏等研究职员的成果是“前所未有的”，“为实现晶态单质开关器件供应了稳健的方法，也为3DPCM的研发供应了新视角”。
“接下来，我们将进行大量工程化验证。”宋志棠研究员表示，一旦工程化验证完成，该技能将有更明确的市场方向。同时他们相信，“固液开关理论”也将成为相变存储领域中一个主要的创新方向。
作者：许琦敏
图源：中科院上海微系统所供应
