今日最新Science: 相变异质结构实现超低噪声和漂移的存储

今日最新Science: 相变异质结构实现超低噪声和漂移的存储

【研究背景与研究进展】

人工智能和其他数据密集型应用的迅速发展对计算机的数据存储和处理提出了新的需求。基于相变随机存取存储器（PCRAM）的神经激励计算设备，可以通过将存储与存储单元中的计算统一起来，有望打破冯诺依曼屏（指令运算与数据存储之间的通信缓慢，耗时，耗能）。然而，目前的PCRAM器件存在较大的噪声和电阻漂移，影响了器件的精度和一致性。

今日，深圳大学饶峰；西安交通大学张伟，约翰霍普金斯大学马恩（共同通讯作者）在Science上发表了一篇关于相变异质结存储器的文章，实现了超低噪声和漂移存储，文章题目为“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”。

【图文简介】

图1 材料设计

（A和B）显示蘑菇型PCRAM设备中PCM和PCH的切换的示意图。黄色区域代表PCMS的结晶状态，而橙色的平板则表示限制层。红色区域是与晶体环境接触的有效编程区域，箭头表示发生在液态和过冷液态中的原子扩散。扩散方向是沿给定偏压极性的输入电脉冲的扩散方向。对于PCMS，在广泛的循环过程中，BEC附近可能形成空洞。

（C和D）TiTe₂和Sb₂Te晶体的原子结构和COHP分析。-COHP曲线的左右部分分别表示反键（不稳定）和键（稳定）相互作用。红色箭头标记了Sb₂Te₃中费米能级EF正下方的反键区。

图2 抑制元素扩散

（A和B）与GST装置形成鲜明对比的是，PCH装置的复位和设定状态的电阻值是稳定的。编程时分别用2.3和1.7V的10 ns电压脉冲复位和设置PCH器件，用5.0和2.5V的50NS电压脉冲复位和设置GST器件。

（C）异质结构模型在1300 K下沿DFMD模拟提取的垂直方向的扩散系数分布。虚线表示块状Sb₂Te₃的扩散系数。着重讨论了Sb、Te等液体原子的扩散路径。

（D）在强电子束辐照下5MIN，PCH薄膜的Sb₂Te₃亚层部分变成非晶态，而TiTe₂亚层则保持完全结晶。

图3抑制阻力漂移

（A）电池电阻作为PCH装置复位和设置状态的时间函数。

（B）电池电阻是约150 nm厚的Sb₂Te₃器件复位和设置状态的时间函数，其下的w插头直径约190 nm。

（C）对于夹在SiO₂层之间的~5nm厚非晶Sb₂Te₃薄膜，薄膜电阻随时间的变化。

（D）高分辨率TEM图像和相应的电子衍射图，证实薄膜处于完全非晶态。

（E和F）迭代重置和累积集合运算。

图4提高重置能量、设定速度和循环耐受力

（A）重置能量作为GST和PCH装置BEC直径的函数。

（B）对于具有相同几何结构的PCH和GST器件，将速度设置为电压偏置的函数（BEC直径为190nm）。

（C）PCH装置在1.5V下可在8ns内完成设定操作。

（D）GST装置的循环寿命约为1×10⁶次。

【小结】

研究者设计了一种相变异质结构（PCH），它由交替堆叠的相变纳米层和限制纳米层组成，以抑制噪声和漂移，允许可靠的迭代重置和累积集操作，可用于高性能的神经启发计算。这种PCH架构可以作为一种固有的材料解决方案进行工业生产，而不需要复杂的制造过程或大大增加的制造成本。

文献链接：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。

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