3月2日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）朱敏教授课题组联合中科院上海微系统所宋志棠研究员、英国剑桥大学Stephen R. Elliott教授、日本群马大学Tamihiro Gotoh教授、亚琛工业大学Richard Dronskowski教授、中科院高等研究院章辉副研究员等人，在三维高密度存储技术领域取得重要突破，首次发现双向阈值开关（Ovonic threshold switch, OTS）器件的“材料基因”-单质硒，以此揭示OTS的电荷触发开关机制，并最终实现开关-存储单元的三维垂直集成。相关研究以“Charge-Triggered Switching Mechanism in Selenium Selector Enabling Ultralow Leakage Current”为题发表于国际期刊《Nature Materials》上。

研究背景

人工智能与机器学习的迅猛发展已超越了当前数据存储系统的承载能力，在存储速度、容量和能效方面面临严峻瓶颈，亟需开发新型数据存储方案，如三维高密度存储技术等。双向阈值开关（OTS）作为实现三维高密度集成的关键元器件，能够有效抑制存储单元间串扰，已成为SK海力士、英特尔、美光、三星等国际半导体巨头破解“存储墙”难题的研究重点。其中，OTS与相变存储器的联用集成技术已取得诸多突破，该技术被英特尔应用于256 Gb级存储芯片中，显示出良好的产业化前景。然而，尽管OTS效应自20世纪60年代被发现以来已取得诸多进展，其材料开发仍主要依赖先验经验，缺乏系统性的“材料基因”图谱指导，开关机制尚未完全阐明，严重制约了OTS材料的精准设计及其器件性能的进一步优化。

研究成果

为破解上述难题，朱敏教授团队采用逆向溯源的研究思路，彻底剥离无开关特性元素，首次发现OTS的材料基因-单质硒，并验证其具有优异的开关特性：非晶硒开关器件漏电流低至4×10−12 A，开关比高达1.5×108，开态电流密度达到21.2 MA/cm2，开/关速度高达8 ns /20ns，循环寿命超过20亿次，展现出优异的综合性能。

单质硒器件结构及电学开关特性：（a）器件结构模型;（b）脉冲电流-电压曲线；（c）直流电流-电压响应；（d）硫系开关材料性能对比

以单质硒为理想模型，团队借助光激发光热偏转谱技术与加电场第一性原理计算，首次定量重构非晶硒的能带结构，并提出电荷触发开关模型，揭示了OTS行为的物理本质：器件关闭状态下，非晶硒的宽带隙（2.08 eV）与其高浓度（>1018 cm−3）价变对缺陷协同构筑了高能量势垒，有效捕获自由载流子（电子/空穴），将漏电流抑制至皮安级；当电压接近阈值电压时，缺陷态中的电子和空穴被充分激发并转化为自由载流子，使器件能够在纳秒甚至皮秒尺度内实现快速开启。同时，在高电场作用下，自由载流子发生碰撞电离并产生雪崩倍增效应，雪崩产生的大量载流子形成多条导电通路，进而产生亚毫安级的高开态电流。

开关机制解析：（a）光激发光热偏转谱表征缺陷态分布；（b）加电场第一性原理计算；（c）电荷触发开关模型

针对单质硒熔点低（~220 oC）导致的后道工艺兼容性难题，团队利用硒优异的非晶形成能力（Tg/Tm>0.6），提出了基于快速熔融–淬火的“自修复”策略，使硒层在经历300 oC高温退火后恢复非晶态，使器件重启阈值开关特性。基于这一策略，团队成功将单质硒OTS单元与Ge2Sb2Te5相变存储单元三维垂直集成。该集成器件展现出大于0.7 V的稳定读取窗口，理论存储容量突破4 Gb，为构建超大规模三维集成存储芯片提供了切实可行的技术路线。

作者信息

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士后孙玉婷、日本群马大学教授Tamihiro Gotoh、中科院上海微系统所博士生赵佳怡为论文共同第一作者，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）朱敏教授和英国剑桥大学三一学院Stephen R. Elliott教授为论文通讯作者。该研究工作联合中科院上海微系统所宋志棠研究员、亚琛工业大学Richard Dronskowski教授、上海科技大学刘志教授、复旦大学沈佳斌青年研究员、中科院上海高等研究院章辉副研究员等国内外学者共同完成。该研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年、面上等项目的支持。

孙玉婷，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士后，专注于开关器件的实验与第一性原理计算研究，在单质碲晶态-液态新原理开关器件、双向阈值开关材料基础与物理本质等方面取得系列成果，并以第一作者在《Nature Materials》、《Advanced Functional Materials》等SCI期刊发表论文3篇（含封面），并获2024年博士研究生国家奖学金、2025年北京市优秀博士毕业生等荣誉。

朱敏，教授，国家级高层次青年人才。专注于先进存储器件与芯片研究，主持国家自然科学基金优秀青年、面上和青年项目等多项科研项目。以第一作者或通讯作者在《Science》、《Nature Materials》、《Nature Communications》（5篇）、《Science Advances》（2篇）、《Advanced Materials》（2篇）、《Advanced Functional Materials》（3篇）、Nano-Micro Letters等国际权威期刊发表SCI论文50余篇。获2022年中国科学十大进展、2020年上海市自然科学一等奖、华为奥林帕斯先锋奖、上海市青年科技启明星、德国洪堡学者等多项荣誉和奖项。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02499-5