Nature丨松山湖材料实验室实现存算一体芯片用轻元素二维单晶的制备

2024-05-02
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针对新一代芯片器件对多功能二维介电材料的新需求,松山湖材料实验室/北京大学刘开辉教授和王恩哥院士与合作者共同开发出一种全新的衬底表面倾斜高台阶调控策略,实现了具有高存储密度、高读写速度和长效非易失的铁电轻元素二维单晶的大面积制备,为未来先进存算一体芯片应用提供核心材料。2024年5月1日,相关研究成果以“倾斜边缘外延铁电单晶菱方氮化硼”(Bevel-edge epitaxy of ferroelectric rhombohedral boron nitride single crystal)为题,在线发表于《自然》(Nature)。

随着信息技术的蓬勃发展,芯片制程和架构体系以逼近摩尔定律极限和冯·诺依曼极限,庞大的信息处理、传输和存储需求对材料科学提出了前所未有的挑战。探索新材料体系和设计新器件架构成为了推动电子芯片行业持续发展的关键。轻元素氮化硼材料体系以其出色的电绝缘性、优良的化学稳定性和热导率、低介电损耗以及与硅基芯片工艺兼容等优势,成为了电介质层材料的优选。特别是菱方堆垛氮化硼,其独特的纵向对称性破缺赋予了额外的层间铁电特性,使其可实现诸多复杂功能的电介质层应用,包括构建存算一体器件,突破传统冯·诺伊曼存算分离的器件架构,提升芯片整体算力;构筑负电容晶体管器件,突破CMOS场效应晶体管的玻尔兹曼极限,显著降低芯片功耗等。然而,由于菱方相是自然界不存在的热力学亚稳相,如何实现其大面积均匀的单晶薄膜制备以满足芯片级应用需求,一直是亟待攻关的技术壁垒。

针对上述难题,松山湖材料实验室轻元素先进材料与器件团队与中国科学院物理研究所白雪冬研究员等团队合作,提出利用单晶镍表面高台阶的倾斜面逐层锁定多层氮化硼晶体的层间滑移矢量的新策略,并成功得到了热力学亚稳态的菱方堆垛构型的氮化硼晶体(图1)。同时,这些高台阶平行排列,可以使得每个菱方氮化硼晶畴的面内取向协同,最终无缝拼接成一个4 × 4 cm2的均匀单晶薄膜。更为重要的是,这种菱方氮化硼单晶具有高度稳定的铁电特性,其畴壁宽度小于百纳米,翻转速度达到微秒量级,且可通过外电场实现有效擦写。

铁电菱方氮化硼单晶的可控制备,不仅能为二维介电材料领域的发展注入了新的活力,也为高密度数据存储、负电容晶体管和存算一体器件等芯片级应用提供了重要的材料支撑。该研究成果得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究重大项目等基金的支持。

图1:(a)厚层菱方氮化硼单晶台阶控制生长原理示意图;(b)厚层单晶铁电擦写功能演示。

 

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07286-3

 

 

撰稿:轻元素先进材料与器件团队