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

你有没有想过：手机里存了上万张照片、几百个视频、几十个App，为什么关掉电源后，它们一个都不会丢？我们平时刷短视频、用导航、人脸支付，背后又是谁在飞快地读写海量数据？

答案是：存储器——电子设备的“记忆中枢”。

不过，如今我们每天产生的数据量，已经从“几本书”变成了“一座图书馆”。AI要“吃”数据，大数据要“搬”数据，传统的存储技术快撑不住了。怎么办？科学家们的思路很直接：既然平房不够住，那就盖高楼——这就是三维存储器——同样的芯片面积，容量可以翻几十倍甚至上百倍。

东方IC 图 AIGC图

在三维存储器这座“摩天大楼”里，有一个角色极其关键，却又常常被忽略——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”摘得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：存储器里住着无数个“小房间”（存储单元），每个房间可以存一个“0”或一个“1”。你想往某个房间写数据，或者读数据，必须准确找到它。然而，当几亿个房间密密麻麻挤在一起，很容易出现“串门”——电流跑到不该去的房间，造成干扰。这就叫漏电流。同时，还需要一股恰到好处的电流，去“激活”目标房间，完成读写。这叫驱动电流。

开关材料，就是那个站在每个房间门口的“智能门卫”。它的任务有两项：关门时：死死堵住电流，不让它乱窜（抑制漏电流）；开门时：干净利落地放行，让足够大的电流通过（提供驱动电流）。这个门卫好不好，直接决定了三维存储器能盖多高、跑多快、多省电。

理想的门卫要满足以下几个特点：关门要严（漏电流小、开关比高）；开门要快（操作速度快）；可靠性高（寿命长）；工艺简单（低成本、与CMOS兼容）；自己还不能太占地方（可微缩性好、高密度）。

几十年来，全球半导体巨头英特尔、三星、海力士、美光等都在拼命寻找更好的开关材料。目前实现量产的新型开关材料叫阈值转变开关（OTS），但性能天花板明显，成分复杂，寿命有限，稳定性不足并且物理机理不明。

把不同高手的“绝活”融在一起

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员带领的科研团队，不满足于跟在别人后面修修补补，而是提出了一个根本问题：“开关材料的‘开关’能力，到底由什么决定？”

大多数开关材料是非晶态（原子排列像一堆乱扔的石头）。传统观点认为，开关靠的是材料内部“缺陷”或“杂质”形成的导电细丝，但这样做出来的“门卫”，脾气很不稳定，关不严、开不灵。

团队跳出旧思路，从原子结构的“基元”入手。他们发现，材料中存在着一种特殊的结构单元，并提出了一个全新的理论：非对称八面体基元开关理论。

基于这个理论，他们总结出筛选非对称八面体开关基元的四项原则——就像一套“选材四步法”，能从海量材料中快速找到潜力股。

找到好基元只是第一步。不同基元各有优势：有的关门严，有的开门快，有的更耐热。能不能把它们像搭乐高一样组合起来，实现1+1大于2？

团队从化学里借来一个古老智慧——“相似相溶”。他们发现，如果两个基元在结构和化学性质上“合得来”，就能无缝融合，形成一种全新的开关材料，同时具备双方优点。

结果令人振奋：他们设计出的新材料，性能全面超越了英特尔当时量产用的开关材料。这意味着，在关键指标上，中国团队第一次跑到了前面。这一成果很快用于三维相变存储器芯片的产业化开发——这是我国存储芯片自主可控的重要一步。

与此同时，团队还走了另一条技术路线。

他们通过计算材料的阴/阳离子杂化率与离化率，开发出基于GeS（硫化锗）的高性能开关材料。这种材料的开关机理不一样，叫作“缺陷态电子激发和原子跳变”。

你可以想象：在材料内部，原本被锁住的原子，在电压刺激下突然“跳”到新位置，从而打开通路。这种“跳变”式的开关速度极快，而且非常稳定。这项成果引起了全球存储巨头的高度关注——三星、海力士等公司纷纷跟进研究。

让“固态”瞬间变成“液态”

团队没有停下脚步，而是问了一个更大胆的问题：有没有最简单的开关材料？

他们发现，有一种元素“碲（Te）”，在常温下是固体，但通电后瞬间可以变成液态，断电后又迅速回到固态。这种“晶态—液态”转变，天然就是一个完美的“开关”。

“固态时电阻较高，Te与TiN电极形成肖特基势垒，电流几乎过不去。”宋志棠告诉新民晚报记者，“液态时Te呈半金属特性，电阻极低，电流畅通无阻。而且这个转变发生在纳秒级别，可逆次数极高，如果进一步把这个材料做成限制型结构，Te不会丢失，寿命会更长。”

他们发明了单质碲开关材料与器件，并发表在国际顶级期刊《科学》（Science）上。 《科学》杂志专门配发评论文章，评价这项成果“前所未有”。

当然，科学研究不能只停留在论文里。宋志棠从一开始就组建了产学研紧密结合的研发队伍，完成了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—芯片验证的完整平台。目前，团队已经实现了嵌入式相变存储器的量产应用，正在将更高密度的三维相变存储器产业化。

下次你拿起手机，刷一个高清视频，或者用人脸支付瞬间完成……背后可能就有一枚小小的、来自中国智慧的“超级开关”，在默默为你工作。

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