北航孙志梅团队Science Bulletin：兼具超低功耗和超低电阻漂移的多级相变存储器

DOI: 10.1016/j.scib.2021.07.018

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研究背景

以硫族化合物相变材料为存储介质的相变随机存储器（PCRAM）是最具竞争力和最有希望替代当前主流存储器的下一代非易失存储器。PCRAM的工作原理是：对晶态相变材料施加强且短的电脉冲，相变材料快速熔化并淬火至非晶态，实现RESET操作；对非晶相变材料施加中等强度且长的电脉冲，相变材料转变为晶态，实现SET操作；非晶和晶态间巨大的电阻率差异保证了数据读取。除完全非晶和晶态外，依靠迭代激励调控相变材料非晶和晶态占比，可实现多个中间态，在开发高密度多级信息存储和神经形态计算中展现出巨大潜力。然而，非晶相变材料存在由自发结构弛豫引起的体系电阻持续增大现象，被称为电阻漂移。电阻漂移降低了多级存储和神经形态计算的编程精度，破坏了器件参数（比如使阈值电压提高）。目前，电阻漂移和高功耗已成为相变存储技术在多级信息存储和神经形态计算领域的主要发展障碍。

成果简介

最近，北京航空航天大学刘宾博士（第一作者）、孙志梅教授（通讯作者）及合作者在国际学术期刊Science Bulletin上发表题为Multi-level phase-change memory with ultralow power consumption and resistance drift的研究论文。该工作采用互补金属氧化物半导体技术（CMOS）集成了基于钇锑碲非晶相、立方相和六方相间多级可逆相变的多级相变存储器。研究显示，钇锑碲基PCRAM除多级存储能力外，还具有超低器件功耗（0.6 pJ）、超低电阻漂移系数（v<0.007）以及极具竞争力的操作速度（3.2 ns）和循环性能（3×10^6）。该工作揭示了Sb原子定向、有序迁移导致的可逆晶晶转变机理，为研发与现有CMOS技术兼容和不需要迭代激励操作的高性能多级相变存储器提供了新的途径。

图文导读

图1. 器件擦写性能。（a-d）钇锑碲擦写窗口、电阻漂移以及循环性能；（e-g）碲化锑擦写窗口、电阻漂移以及循环性能；（h）钇锑碲和碲化锑的RESET功耗对比。

图2. 不同存储态钇锑碲PCRAM的微观结构表征。（a）T型相变存储单元的结构示意图和（b）TEM形貌像；（c、d）存储态“1”，（e、f）存储态“-1”和存储态“0”（g、h）时钇锑碲PCRAM的高分辨TEM和傅里叶变换SAED图。

图3. 受限迁移。（a）钇锑碲原子模型及四种原子迁移路径；（b）Y掺杂对碲化锑原子迁移势垒的影响。

图4. Sb迁移与体系能量。（a-d）钇锑碲六方相到立方相转变的微观结构表征；（e）Sb原子迁移示意图；（f）Sb迁移过程的自由能变化。

相关文献

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