Advanced Functional Materials综述：面向低功耗和高密度数据存储器应用的相变超晶格材料：微观图像、工作原理及优化策略

【前言】

信息存储在人类历史的演变中发挥了重要作用。如今，电子技术的发展大大增加了数码数据量。据统计，全球数码数据量每两年翻一番，到2020年，将达到44泽字节（1泽字节 = 10万亿亿字节）。随着物联网的发展，每秒钟都有大量的数据以视频、音乐、图片、网上社交、商业信息等形式产生并传输。因此，大数据的存储、传输和处理将面临严峻挑战。当下迫切需要具有快速度、高密度和低功耗的非易失性电子存储器件来应对这些问题。相变存储技术作为最早进入产业化应用之一的高速非易失性存储技术备受全球半导体业界关注，然而目前还面临着功耗高等难题，这对高密度存储集成电路进一步开发带来障碍。

【成果简介】

近日，来自吉林大学的李贤斌副教授、陈念科博士和清华大学孙洪波教授联合在Advanced Functional Materials上发表综述文章，题为：Phase‐Change Superlattice Materials toward Low Power Consumption and High Density Data Storage: Microscopic Picture, Working Principles, and Optimization。本文首先总结了相变存储材料在信息技术中的广泛应用，特别介绍近几年相变存储材料领域的研究热点—GeTe/Sb₂Te₃超晶格材料在超低功耗数据存储中的重要前景。然后，讨论了相变超晶格在微观原子结构和工作原理探究方面的主要进展，并对目前提出的主流工作机制进行点评和分析：开发超晶格相变存储器的日本产综研最早提出Ge层整体翻转的工作机制，然而该机制面临原子跳变势垒大、原子模型难以被电镜实验观察等困难，在此上介绍了业界最近提出的另外几种重要机制，包括微区部分融化（部分非晶化）机制、堆叠层错辅助金属绝缘体相变机制、应变辅助相变机制等。文章进一步讨论了超晶格材料制备方法、材料组分和元素掺杂对器件性能的影响，并据此提出提升器件性能的超晶格材料优化策略。最后，展望了超晶格相变存储材料的新型应用。

【图文导读】

图1.电子设备和物联网产生的数码数据的增长趋势

图2. 计算机中的典型存储架构

图3. 相变存储基本原理及应用

图4. 相变存储材料工作过程中的能量耗散示意图

图5. 基于锗锑碲超晶格（GST-SL）的器件特性和结构表征

图6. GST-SL目前主流的原子模型

图7. GST-SL中的Ge/Sb元素混合现象

图8. GST-SL中的堆垛层错现象

图9. Ge层翻转的有序-有序相变微观机制示意图

图10. GST-SL中层错运动辅助的金属-绝缘体转变机制

图11. GST-SL中应变辅助的相变机制

图12. GST-SL部分熔化相变机制

图13. 超晶格材料优化策略：衬底优化、组分优化及元素掺杂

【总结】

作者系统回顾了新型相变存储材料锗锑碲超晶格(GST-SL)的发展历程和最新进展。GST-SL最主要的优点是低功耗，从而克服PCM应用的高功耗问题。另外，GST-SL在类脑/神经计算领域具有巨大的潜力，也为后冯·诺伊曼计算架构以及人工智能硬件开发提供机会。

文献链接：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)

李贤斌副教授主持的吉林大学计算半导体物理实验室(www.ioe-jlu.cn/csp)围绕电子工业关心的半导体物理问题采用电子结构计算方法开展分析、调控与设计，重点研究领域包括非易失性相变信息存储半导体的工作机理与调控、光电半导体中缺陷的导电调控能力评价、光与物质作用等问题。李教授曾发表第一/通讯作者SCI论文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。总引一千两百次、他引八百余次、H因子21。获国际半导体物理大会、美国材料学会春季会议、中国半导体物理会议、中德电子存储材料会议等邀请报告14次。主持973子课题、国家自然科学基金面上项目、青年项目等7项。曾获吉林大学优秀青年教师培养计划、吉林省自然科学学术成果奖。

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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