Science：降低晶體形核隨機性以獲得亞納秒級數據存儲速度

青皮桔和山楂糖 6年前 (2017-11-26) 3696瀏覽

【引言】

相變存儲器（PCRAM）被視為新一代非易失電子存儲器之一。其利用硫化合物相變材料的非晶態和晶態之間存在的顯著電阻差異，對數字信息進行編碼。相變材料在高溫下在兩個晶體相之間可以進行快速并可逆的相變，同時兩個晶體相在室內下具有很好的熱穩定性。即相變存儲既具有內存（DRAM）快速讀入的能力，又具有閃存固態硬盤的長時間數據保持力。相變存儲器超高速的擦除過程（非晶化）可以通過器件的熱力學設計來完成，然而寫入過程（結晶化）則依賴于材料本身的屬性。目前商用相變材料鍺銻碲(GeSbTe)最快的寫入速度為10納秒，如何進一步提升該讀寫速度一直是業內重點關注的問題。

?【成果簡介】

近日，中科院上海微系統與信息技術研究所饒峰副研究員和西安交通大學的張偉教授合作開展了相關研究工作，其研究成果以“Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing”為題發表在Science上。本文通過材料計算設計的方法來調控相變材料的晶核形成速率，合成新型相變材料鈧銻碲(ScSbTe)，大幅降低形核時間，達到超高速的寫入速度，僅為0.7納秒。同時鈧銻碲器件的操作功耗相比于傳統鍺銻碲器件降低了近90%。通過材料計算，研究人員清晰地揭示了鈧銻碲超快結晶化以及超低功耗的微觀機理。

【圖文導讀】

圖1：材料篩選。

（A）在各種碲化物中篩選與立方相碲化銻幾何結構匹配的材料。

（B）碲化銻與篩選而得的碲化鈧之間的對比，后者具備更強的化學鍵。

圖2：立方相鈧銻碲SST。

(A) ~300nm厚的GST和SST薄膜在同樣為10℃/min的加熱速率下，表面電阻隨溫度的變化情況。(B)270℃下退火的~20nm厚SST薄膜的透射電鏡圖像。

(C)圖(B)對應的選區電子衍射圖。

(D-F)從(B)中選取的三個典型晶粒的高分辨透射電子顯微鏡圖像，依次沿[1-11]、[011]和[001]軸。

圖3：相變存儲器件性能。

(A)鈧銻碲SST和鍺銻碲GST相變存儲器設備在同一幾何尺寸下寫入速度隨電壓的變化關系。內部插圖為器件結構圖，底端接觸電極上部紅色蘑菇型區域為相變操作區域。

(B) 周期循環性：鈧銻碲器件可以重復進行超快寫入SET和擦除RESET操作，至少完成105次循環。

圖4：基于密度泛函的分子動力學模擬。

(A) 非晶鈧銻碲SST和鍺銻碲GST在零溫下的結構分析。

(B)和(C)為600K時SST和GST中四元環的穩定性分析。

(D) 600K下SST的微觀結晶過程。

【總結】

這一研究成果對深入理解和調控非晶態材料的形核與生長機制具有重要的指導意義，并為實現我國自主的通用存儲器技術奠定了基礎。

文獻鏈接：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing (Science，2017，DOI:10.1126/science.aao3212 )

延伸閱讀

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