随着物联网、5G通讯、人工智能等技术的快速发展，高速高密度存储成为大数据时代信息技术与数字经济发展的关键瓶颈。双向阈值开关（OTS，Ovonic Threshold Switch）是三维高密度存储器的核心元器件，英特尔和美光于2017年使用OTS器件替换传统硅基晶体管，成功量产四层256 Gb的三维相变存储器（傲腾），在高能效计算与数据中心应用中显示出巨大的商业价值。自此，台积电、IBM、海力士、三星等半导体巨头相继开展OTS研究，已用于下一代新型存储芯片，包括三维相变存储器、三维阻变存储器、三维铁电存储器和三维磁存储器。OTS器件性能由开关材料决定，但已发现的硒基/碲基OTS材料长期被英特尔等公司垄断，新型OTS材料研发与非线性开关机理是存储领域的研究热点与难点。

 

　　图1 双向阈值开关材料体系：碲基、硒基以及硫基

　　中科院上海微系统所宋志棠与朱敏研究团队于2020年利用高杂化率设计出自主硫基OTS材料 【Nature Communications, 2020, 11, 4636；Nature Communications, 2023, 14, 6095；授权专利ZL201811623426.7】, 已是OTS三大开关基因之一（碲基/硒基/硫基，图1），打破英特尔的专利壁垒，被比利时微电子中心IMEC从1.3万组分中证实是最好开关基元 [IEDM, 2022, T8.6.1, pp. 190 ]。基于上述基础，中科院上海微系统所朱敏研究员与IMEC Sergiu Clima、Daiele Carbin、Robin Degraeve,和Geoffrey Pourtois研究员等人联合撰写了关于OTS的40页综述，介绍了1964年OTS现象发现、70年代到20世纪末OTS材料与器件发展以及21世纪初芯片应用历程，系统统计了所有硒基、碲基以及硫系OTS的材料特性与器件性能；同时，详细讨论了解释OTS现象的场制成核、载流子注入、局部极化、高电场普尔-弗伦克尔传输等模型（图2）。

 

　　图2 双向阈值开关机理：场制成核模型、载流子注入模型、局部极化模型以及高电场普尔-弗伦克尔传输模型

　　该工作在2024年1月11号以题为“Chalcogenide Ovonic Threshold Switching Selector”发表在Nano-Micro Letters (2024, 16, 81; IF 26.6)上。我所博士生赵梓豪是第一作者，上海微系统所朱敏研究员、宋志棠研究员为通讯作者，中科院上海微系统所为第一完成单位和通信单位。该工作得到国家优秀青年基金（62322411）、中科院人才计划、上海科技启明星（21QA1410800）以及中科院先导B（XDB44010200）等项目的支持。

　　文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01289-x