今日最新Science: 相變異質結構實現超低噪聲和漂移的存儲

今日最新Science: 相變異質結構實現超低噪聲和漂移的存儲

【研究背景與研究進展】

人工智能和其他數據密集型應用的迅速發展對計算機的數據存儲和處理提出了新的需求。基于相變隨機存取存儲器（PCRAM）的神經激勵計算設備，可以通過將存儲與存儲單元中的計算統一起來，有望打破馮諾依曼屏（指令運算與數據存儲之間的通信緩慢，耗時，耗能）。然而，目前的PCRAM器件存在較大的噪聲和電阻漂移，影響了器件的精度和一致性。

今日，深圳大學饒峰；西安交通大學張偉，約翰霍普金斯大學馬恩（共同通訊作者）在Science上發表了一篇關于相變異質結存儲器的文章，實現了超低噪聲和漂移存儲，文章題目為“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”。

【圖文簡介】

圖1 材料設計

（A和B）顯示蘑菇型PCRAM設備中PCM和PCH的切換的示意圖。黃色區域代表PCMS的結晶狀態，而橙色的平板則表示限制層。紅色區域是與晶體環境接觸的有效編程區域，箭頭表示發生在液態和過冷液態中的原子擴散。擴散方向是沿給定偏壓極性的輸入電脈沖的擴散方向。對于PCMS，在廣泛的循環過程中，BEC附近可能形成空洞。

（C和D）TiTe₂和Sb₂Te晶體的原子結構和COHP分析。-COHP曲線的左右部分分別表示反鍵（不穩定）和鍵（穩定）相互作用。紅色箭頭標記了Sb₂Te₃中費米能級EF正下方的反鍵區。

圖2 抑制元素擴散

（A和B）與GST裝置形成鮮明對比的是，PCH裝置的復位和設定狀態的電阻值是穩定的。編程時分別用2.3和1.7V的10 ns電壓脈沖復位和設置PCH器件，用5.0和2.5V的50NS電壓脈沖復位和設置GST器件。

（C）異質結構模型在1300 K下沿DFMD模擬提取的垂直方向的擴散系數分布。虛線表示塊狀Sb₂Te₃的擴散系數。著重討論了Sb、Te等液體原子的擴散路徑。

（D）在強電子束輻照下5MIN，PCH薄膜的Sb₂Te₃亞層部分變成非晶態，而TiTe₂亞層則保持完全結晶。

圖3抑制阻力漂移

（A）電池電阻作為PCH裝置復位和設置狀態的時間函數。

（B）電池電阻是約150 nm厚的Sb₂Te₃器件復位和設置狀態的時間函數，其下的w插頭直徑約190 nm。

（C）對于夾在SiO₂層之間的~5nm厚非晶Sb₂Te₃薄膜，薄膜電阻隨時間的變化。

（D）高分辨率TEM圖像和相應的電子衍射圖，證實薄膜處于完全非晶態。

（E和F）迭代重置和累積集合運算。

圖4提高重置能量、設定速度和循環耐受力

（A）重置能量作為GST和PCH裝置BEC直徑的函數。

（B）對于具有相同幾何結構的PCH和GST器件，將速度設置為電壓偏置的函數（BEC直徑為190nm）。

（C）PCH裝置在1.5V下可在8ns內完成設定操作。

（D）GST裝置的循環壽命約為1×10⁶次。

【小結】

研究者設計了一種相變異質結構（PCH），它由交替堆疊的相變納米層和限制納米層組成，以抑制噪聲和漂移，允許可靠的迭代重置和累積集操作，可用于高性能的神經啟發計算。這種PCH架構可以作為一種固有的材料解決方案進行工業生產，而不需要復雜的制造過程或大大增加的制造成本。

文獻鏈接：Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation， 2019, Science, DOI：10.1126/science.aay0291

本文由金也供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.