北航孫志梅團隊Science Bulletin：兼具超低功耗和超低電阻漂移的多級相變存儲器

youyoucao 2年前 (2021-08-18) 2079瀏覽

DOI:?10.1016/j.scib.2021.07.018

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研究背景

以硫族化合物相變材料為存儲介質的相變隨機存儲器（PCRAM）是最具競爭力和最有希望替代當前主流存儲器的下一代非易失存儲器。PCRAM的工作原理是：對晶態相變材料施加強且短的電脈沖，相變材料快速熔化并淬火至非晶態，實現RESET操作；對非晶相變材料施加中等強度且長的電脈沖，相變材料轉變為晶態，實現SET操作；非晶和晶態間巨大的電阻率差異保證了數據讀取。除完全非晶和晶態外，依靠迭代激勵調控相變材料非晶和晶態占比，可實現多個中間態，在開發高密度多級信息存儲和神經形態計算中展現出巨大潛力。然而，非晶相變材料存在由自發結構弛豫引起的體系電阻持續增大現象，被稱為電阻漂移。電阻漂移降低了多級存儲和神經形態計算的編程精度，破壞了器件參數（比如使閾值電壓提高）。目前，電阻漂移和高功耗已成為相變存儲技術在多級信息存儲和神經形態計算領域的主要發展障礙。

成果簡介

最近，北京航空航天大學劉賓博士（第一作者）、孫志梅教授（通訊作者）及合作者在國際學術期刊Science Bulletin上發表題為Multi-level phase-change memory with ultralow power consumption and resistance drift的研究論文。該工作采用互補金屬氧化物半導體技術（CMOS）集成了基于釔銻碲非晶相、立方相和六方相間多級可逆相變的多級相變存儲器。研究顯示，釔銻碲基PCRAM除多級存儲能力外，還具有超低器件功耗（0.6 pJ）、超低電阻漂移系數（v<0.007）以及極具競爭力的操作速度（3.2 ns）和循環性能（3×10^6）。該工作揭示了Sb原子定向、有序遷移導致的可逆晶晶轉變機理，為研發與現有CMOS技術兼容和不需要迭代激勵操作的高性能多級相變存儲器提供了新的途徑。

圖文導讀

圖1.?器件擦寫性能。（a-d）釔銻碲擦寫窗口、電阻漂移以及循環性能；（e-g）碲化銻擦寫窗口、電阻漂移以及循環性能；（h）釔銻碲和碲化銻的RESET功耗對比。

圖2.?不同存儲態釔銻碲PCRAM的微觀結構表征。（a）T型相變存儲單元的結構示意圖和（b）TEM形貌像；（c、d）存儲態“1”，（e、f）存儲態“-1”和存儲態“0”（g、h）時釔銻碲PCRAM的高分辨TEM和傅里葉變換SAED圖。

圖3.?受限遷移。（a）釔銻碲原子模型及四種原子遷移路徑；（b）Y摻雜對碲化銻原子遷移勢壘的影響。

圖4.?Sb遷移與體系能量。（a-d）釔銻碲六方相到立方相轉變的微觀結構表征；（e）Sb原子遷移示意圖；（f）Sb遷移過程的自由能變化。

相關文獻

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