每回刷视频、人脸支付…背后都有颗“上海造”的超级开关在干活｜上海市科技奖

你是上海造否曾好奇：手机中存储的上万张照片、数百个视频及数十个App，刷视为何在断电后依然完好无损？频人当我们日常刷短视频、使用导航或进行人脸支付时，脸支又是付背谁在幕后高速读写着海量数据？

答案指向电子设备的“记忆中枢”——存储器。

然而，后都活上海市随着数据爆炸式增长，有颗我们每日产生的开奖数据量已从“几本书”激增至“一座图书馆”。AI训练需要“吞噬”数据，关干大数据处理需要“搬运”数据，科技传统存储技术正面临性能瓶颈。上海造科学家们的刷视破局思路直观而高效：既然平房容量有限，那就盖摩天大楼——这就是频人三维存储器。通过垂直堆叠，脸支在同等芯片面积下，付背存储容量可提升数十倍甚至上百倍。

东方IC 图 AIGC图

在这座三维存储器的“摩天大楼”中，有一个角色至关重要却常被忽视——开关材料。

在上周举行的上海市科学技术奖励大会上，中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员领衔的团队，凭借“面向三维存储器应用的阈值转变开关材料及其机理研究”项目，荣获2025年度上海市自然科学一等奖。

存储器的“智能门卫”

打个比方：存储器内部由无数个“小房间”（存储单元）组成，每个房间可存储一个“0”或“1”。读写数据时，必须精准定位目标房间。然而，当数亿个房间密集排列时，极易出现“串门”现象——电流误入非目标房间，造成干扰，即漏电流。同时，还需要一股精准的电流去“激活”目标房间，即驱动电流。

开关材料，正是站在每个房间门口的“智能门卫”。其核心任务包括：
* 关门时：严密阻断电流，防止乱窜（抑制漏电流）；
* 开门时：高效导通，确保足够电流通过（提供驱动电流）。

门卫的性能优劣，直接决定了三维存储器的堆叠高度、运行速度及能耗水平。理想的“门卫”需具备以下特质：
1. 关门严：漏电流极小，开关比高；
2. 开门快：操作响应迅速；
3. 可靠性高：使用寿命长；
4. 工艺简：低成本，且与CMOS工艺兼容；
5. 占地小：可微缩性好，支持高密度集成。

数十年来，英特尔、三星、海力士、美光等全球半导体巨头竞相寻找更优的开关材料。目前量产的新型材料为阈值转变开关（OTS），但其存在性能天花板低、成分复杂、寿命有限、稳定性不足及物理机理不明等局限。

融合“绝活”，突破理论瓶颈

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员团队不满足于跟随修补，而是直击根本问题：“开关材料的‘开关’能力，究竟由什么决定？”

多数开关材料为非晶态（原子排列无序）。传统观点认为，开关机制依赖于材料内部“缺陷”或“杂质”形成的导电细丝，但这导致“门卫”性能不稳定，关不严、开不灵。

团队跳出传统框架，从原子结构的“基元”入手，发现了一种特殊结构单元，并提出全新理论：非对称八面体基元开关理论。

基于此理论，团队总结出筛选非对称八面体开关基元的四项原则——如同“选材四步法”，能从海量材料中快速锁定潜力股。

找到优质基元仅是第一步。不同基元各有千秋：有的关门严密，有的开门迅捷，有的耐热性强。团队借鉴化学中的“相似相溶”原理，将结构和化学性质“合得来”的基元像搭乐高一样组合，形成兼具双方优势的全新开关材料。

成果令人振奋：设计出的新材料性能全面超越英特尔当时量产的开关材料，标志着中国团队在关键指标上实现领跑。该成果已迅速应用于三维相变存储器芯片的产业化开发，成为我国存储芯片自主可控的重要里程碑。

双轨并行：从“跳变”到“相变”

与此同时，团队开辟了另一条技术路线。

通过计算材料的阴/阳离子杂化率与离化率，团队开发出基于GeS（硫化锗）的高性能开关材料。其开关机理为“缺陷态电子激发和原子跳变”。

形象地说，在电压刺激下，材料内部原本被锁定的原子突然“跳”至新位置，从而打通通路。这种“跳变”式开关速度极快且稳定性极高，引起了三星、海力士等全球存储巨头的高度关注并纷纷跟进研究。

让“固态”瞬间变“液态”

团队并未止步，而是提出更大胆的构想：是否存在最简单的开关材料？

研究发现，元素“碲（Te）”在常温下为固体，通电后瞬间变为液态，断电后又迅速恢复固态。这种“晶态—液态”转变天然构成完美“开关”。

宋志棠向新民晚报记者解释：“固态时，碲电阻较高，与TiN电极形成肖特基势垒，电流几乎无法通过；液态时，碲呈半金属特性，电阻极低，电流畅通无阻。且这一转变发生在纳秒级别，可逆次数极高。若将其制成限制型结构，可防止碲流失，进一步延长寿命。”

团队发明了单质碲开关材料与器件，成果发表于国际顶级期刊《科学》（Science）。《科学》杂志专门配发评论，评价该成果“前所未有”。

从实验室到生产线

科学研究不止于论文。宋志棠团队自成立之初便构建产学研紧密结合的研发体系，完成多项国家级科研项目，搭建了从基础研究—材料开发—器件设计—芯片验证的全链条平台。

目前，团队已实现嵌入式相变存储器的量产应用，并正加速推进更高密度三维相变存储器的产业化进程。

下次当你拿起手机，流畅播放高清视频，或瞬间完成人脸支付时，背后或许正有一枚蕴含中国智慧的“超级开关”，在默默为你高效工作。

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(责任编辑：时尚)