斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，由單層二硫化鉬（MoS2）制成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以成功驅(qū)動(dòng)電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。近日在IEEE國際電子設(shè)備會(huì)議上報(bào)告的結(jié)果代表了在單片3D集成芯片中將存儲(chǔ)器與邏輯混合的關(guān)鍵里程碑。

斯坦福研究人員開發(fā)的芯片被稱為“單晶體管單阻變存儲(chǔ)器”（1T1R）單元。這種1T1R存儲(chǔ)單元相對(duì)于含有阻變存儲(chǔ)器但沒有晶體管的存儲(chǔ)單元，能夠提供極大好處。

沒有晶體管的情況下，阻變存儲(chǔ)芯片中的所有存儲(chǔ)單元都被連接到不同的線路，從而使存儲(chǔ)陣列成為一個(gè)大電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)選擇某個(gè)存儲(chǔ)單元讀取其內(nèi)容時(shí)，電流不僅來自所選的存儲(chǔ)單元，還來自存儲(chǔ)陣列中所有未選存儲(chǔ)單元的泄漏電流。由于這些泄漏電流，被選存儲(chǔ)單元上的電壓將小于施加電壓。

1T1R存儲(chǔ)單元的好處在于，可以通過晶體管的開啟和關(guān)閉，將目標(biāo)存儲(chǔ)單元同其他存儲(chǔ)單元隔離，從而抑制泄漏電流。“雖然硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管也可以用于1T1R存儲(chǔ)單元，但單層二硫化鉬的優(yōu)點(diǎn)在于，其轉(zhuǎn)移工藝可以在較低溫度下進(jìn)行，從而便于在單塊芯片中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層和邏輯層的相互三維堆疊配置。” 斯坦福大學(xué)的博士后研究員Rui Yang說。他是H.-S內(nèi)部研究的主要作者，和Philip Wong都在Nanoelectronics實(shí)驗(yàn)室。

Yang補(bǔ)充說，“二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電流溝道只有原子厚度，納米級(jí)的中間層過孔可以成為連接芯片不同層的通道。這使芯片中的更多部分能夠更加有效訪問存儲(chǔ)器。”

在一般操作中，阻變存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為電阻阻值。對(duì)于采用1T1R存儲(chǔ)單元的阻變存儲(chǔ)器，當(dāng)存儲(chǔ)單元中的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(本例中是基于二硫化鉬的場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開啟時(shí)，存儲(chǔ)單元就處于寫入模式。此時(shí)，其他未被選中單元的晶體管將處于關(guān)閉狀態(tài)，電壓將被施加在所選阻變存儲(chǔ)器的頂部電極和二硫化鉬晶體管的源電極上。

晶體管與阻變存儲(chǔ)器串聯(lián)在一起。當(dāng)阻變存儲(chǔ)器從高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)時(shí)，阻變存儲(chǔ)器的頂部電極就處于高電平狀態(tài)，場(chǎng)效應(yīng)管的源電極接地。晶體管驅(qū)動(dòng)電流通過阻變存儲(chǔ)器并控制電流，當(dāng)電壓周期性變化時(shí)，進(jìn)而調(diào)控電阻值。目前，阻變存儲(chǔ)器的制取可以利用CMOS兼容的材料實(shí)現(xiàn)。

然而，表示，目前工業(yè)上還沒有準(zhǔn)備在同等程度上制造二維材料。他說:“我們需要找到可靠的方法，以在晶片上生長和轉(zhuǎn)移二維材料，并在單片三維堆疊架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)二維晶體管與阻變存儲(chǔ)器的集成。”Yang說。

除了在晶片上生長和轉(zhuǎn)移二維材料以外，這些器件仍有許多問題需要克服。楊認(rèn)為，他們需要使器件更小，使1T1R存儲(chǔ)陣列更大，并進(jìn)一步提高器件的一致性。他相信該技術(shù)極具發(fā)展前景。二硫化鉬和阻變存儲(chǔ)器不僅使平面內(nèi)電路規(guī)模的橫向擴(kuò)展成為可能，而且還提供了通過三維堆疊方式使電路規(guī)模在垂直方向上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的可能性。Yang補(bǔ)充道:“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們計(jì)劃在三維電路中制造多個(gè)存儲(chǔ)層和邏輯層，并使其具備存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算的能力。”