Advanced Functional Materials綜述：面向低功耗和高密度數據存儲器應用的相變超晶格材料：微觀圖像、工作原理及優化策略

【前言】

信息存儲在人類歷史的演變中發揮了重要作用。如今，電子技術的發展大大增加了數碼數據量。據統計，全球數碼數據量每兩年翻一番，到2020年，將達到44澤字節（1澤字節 = 10萬億億字節）。隨著物聯網的發展，每秒鐘都有大量的數據以視頻、音樂、圖片、網上社交、商業信息等形式產生并傳輸。因此，大數據的存儲、傳輸和處理將面臨嚴峻挑戰。當下迫切需要具有快速度、高密度和低功耗的非易失性電子存儲器件來應對這些問題。相變存儲技術作為最早進入產業化應用之一的高速非易失性存儲技術備受全球半導體業界關注，然而目前還面臨著功耗高等難題，這對高密度存儲集成電路進一步開發帶來障礙。

【成果簡介】

近日，來自吉林大學的李賢斌副教授、陳念科博士和清華大學孫洪波教授聯合在Advanced Functional Materials上發表綜述文章，題為：Phase‐Change Superlattice Materials toward Low Power Consumption and High Density Data Storage: Microscopic Picture, Working Principles, and Optimization。本文首先總結了相變存儲材料在信息技術中的廣泛應用，特別介紹近幾年相變存儲材料領域的研究熱點—GeTe/Sb₂Te₃超晶格材料在超低功耗數據存儲中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結構和工作原理探究方面的主要進展，并對目前提出的主流工作機制進行點評和分析：開發超晶格相變存儲器的日本產綜研最早提出Ge層整體翻轉的工作機制，然而該機制面臨原子跳變勢壘大、原子模型難以被電鏡實驗觀察等困難，在此上介紹了業界最近提出的另外幾種重要機制，包括微區部分融化（部分非晶化）機制、堆疊層錯輔助金屬絕緣體相變機制、應變輔助相變機制等。文章進一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素摻雜對器件性能的影響，并據此提出提升器件性能的超晶格材料優化策略。最后，展望了超晶格相變存儲材料的新型應用。

【圖文導讀】

圖1.電子設備和物聯網產生的數碼數據的增長趨勢

圖2. 計算機中的典型存儲架構

圖3. 相變存儲基本原理及應用

圖4. 相變存儲材料工作過程中的能量耗散示意圖

圖5. 基于鍺銻碲超晶格（GST-SL）的器件特性和結構表征

圖6. GST-SL目前主流的原子模型

圖7. GST-SL中的Ge/Sb元素混合現象

圖8. GST-SL中的堆垛層錯現象

圖9. Ge層翻轉的有序-有序相變微觀機制示意圖

圖10. GST-SL中層錯運動輔助的金屬-絕緣體轉變機制

圖11. GST-SL中應變輔助的相變機制

圖12. GST-SL部分熔化相變機制

圖13. 超晶格材料優化策略：襯底優化、組分優化及元素摻雜

【總結】

作者系統回顧了新型相變存儲材料鍺銻碲超晶格(GST-SL)的發展歷程和最新進展。GST-SL最主要的優點是低功耗，從而克服PCM應用的高功耗問題。另外，GST-SL在類腦/神經計算領域具有巨大的潛力，也為后馮·諾伊曼計算架構以及人工智能硬件開發提供機會。

文獻鏈接：Phase‐Change Superlattice Materials toward Low Power Consumption and High Density Data Storage: Microscopic Picture, Working Principles, and Optimization, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803380)

李賢斌副教授主持的吉林大學計算半導體物理實驗室(www.ioe-jlu.cn/csp)圍繞電子工業關心的半導體物理問題采用電子結構計算方法開展分析、調控與設計，重點研究領域包括非易失性相變信息存儲半導體的工作機理與調控、光電半導體中缺陷的導電調控能力評價、光與物質作用等問題。李教授曾發表第一/通訊作者SCI論文35篇，含Nature Commun. 1篇，Phys. Rev. Lett. 3篇，Adv. Mater. 1篇，Nano Today 1篇, Adv. Funct. Mater. 1篇。總引一千兩百次、他引八百余次、H因子21。獲國際半導體物理大會、美國材料學會春季會議、中國半導體物理會議、中德電子存儲材料會議等邀請報告14次。主持973子課題、國家自然科學基金面上項目、青年項目等7項。曾獲吉林大學優秀青年教師培養計劃、吉林省自然科學學術成果獎。

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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