從晶體管到憶阻器——徹底改變微電子行業(yè)！

貝爾實驗室于1947 年發(fā)明的晶體管開創(chuàng)了一個電子設備的時代，電子設備比體積龐大且易碎的真空管電子設備更小、運行更冷，耗電量遠低于同類產品。晶體管用作二進制開關，以促進電流從關閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)。收音機、計算器和電話是第一波用新的半導體技術取代真空管的儀器。隨著技術規(guī)模越來越小，隨后的幾十年里，硅晶體管穩(wěn)步集成到設備中，今天的計算機、手機、手表、起搏器和幾乎所有類型的電子設備都依賴于它們進行高速處理和存儲。

憶阻器是一種電子裝置，它使用二維和三維矩陣配置或交叉開關陣列來模擬二進制開關，以根據電流電阻調節(jié)導電狀態(tài)。KAUST材料科學與工程副教授 Mario Lanza 博士斷言，與晶體管一樣，憶阻器成為新的開關技術標準，在速度和操作效率上超越晶體管只是時間問題。

Lanza 是最近發(fā)表的一篇評論論文《用于數據存儲、計算、加密和射頻通信的憶阻技術》的主要作者，這是《Science》雜志對晶體管發(fā)現 75周年的報道的一部分。通過來自工業(yè)界和學術界的共同作者貢獻的研究結果，該論文首次提供了全面的數據總結，支持跨材料和應用的憶阻器技術就緒水平。

“憶阻器主要由四種不同的材料制成，可應用于四種應用，共有 16 種組合，本文涵蓋了所有這些應用” Lanza 說。“我們統(tǒng)計顯示了憶阻器在這些不同配置中如何發(fā)揮作用的技術標準。您會看到什么有效，這非常令人興奮。我們的調查結果匯編可能對該領域產生重要影響。”

Lanza 預見，在未來，許多其他組合可能成為可能，因為由二維層狀材料和鈣鈦礦制成的憶阻器正在迅速提高其性能，并且可能會設計出更多的應用。

超越
目前的芯片技術在尺寸上已經達到了基本的量子力學極限。芯片晶體管不能小于原子間距離。由于按比例縮小不是一種選擇，憶阻技術擴大了規(guī)模，整合了垂直的三維技術，涉及一個納米大小的金屬線矩陣，在每個結點都有一個絕緣的開關--憶阻器。施加電壓脈沖會打破絕緣層，為電流流動創(chuàng)造一個路徑。在去除電壓的過程中，經過修改的材料結構就像一個導電的幽靈，或記憶體，當電壓再次施加時，可以被逆轉以恢復初始狀態(tài)。

通過這種方式，憶阻器充當極性開關，可以在導電和非導電狀態(tài)之間切換。Lanza表示，這種能力可用于集成序列中的許多不同功能。

"憶阻器就像一把瑞士軍刀。它可以用來做很多事情。" Lanza說。“這是一個有多種狀態(tài)的開關，我可以調整，無論我想要 25個穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，還是十個或兩個?？梢詫W格進行編程，以快速進行高級計算，在更小的空間和更多的應用程序中消耗更少的能量——否則這些計算將需要許多晶體管來完成相同的工作。”

Lanza 所說的目前用于制造記憶體的四種非硅基材料是：金屬氧化物，如二氧化鉿；相變材料，即黃銅；磁性材料，即鈷或鐵；以及鐵電材料，即鈦酸鋇。憶阻器的主要應用是存儲、計算、通信和加密。根據使用的材料和應用的電阻，可以調整性能以滿足不同技術的要求。

解決差距
憶阻器的 3D 集成允許在保持最小尺寸的情況下裝入更多的器件，證明尺寸并不是卓越運營的圣杯。

Lanza 說，這項技術已經在晶體管上完成，但它是憶阻器的新領域。盡管憶阻器的概念是在 20世紀70年代提出的，但該技術直到最近十年左右才引起關注，有了發(fā)展。

憶阻器件，其中電阻可以調節(jié)到兩個或多個非易失性水平，可以使用不同的材料制造，允許調整其性能以滿足不同技術的要求

憶阻式存儲器已成為現實，在高級計算、安全系統(tǒng)和移動通信方面正在取得重要進展。

雖然已經可以在一些產品中找到憶阻器，如數據中心和手表，但 Lanza 表示，還有許多有前途的應用有待探索，而且業(yè)界正在密切跟蹤該技術，以評估硅晶體管電子技術以外的未來商業(yè)用途。

他將論文發(fā)現的范圍和細節(jié)歸功于團隊的跨學科性質。其中三名研究人員是來自工業(yè)界的科學家，六名來自學術界的科學家，包括Lanza。在工業(yè)界的三位作者中，一位來自臺積電（TSMC）；其中兩個來自IBM。

市場預測到 2026 年將憶阻器增長到 56 億美元——在近 2800 億美元的內存市場中增長2%——他希望這篇論文能夠激勵公司投資新的憶阻器技術。

臺積電企業(yè)研究部總監(jiān)張夢凡博士表示：“這是第一篇對憶阻器的結構和應用進行廣泛概述的文章徹底改變微電子行業(yè)。”