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    我国学者在相变存储异质结研究方面取得重要进展

    日期 2019-08-27   来源:信息科学部   作者:孙玲 张丽佳 潘庆  【 】   【打印】   【关闭

    图. PCH基PCRAM器件相变行为与操作示例

      在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(批准号:61622408)、面上项目(批准号:61774123)等资助下,深圳大学材料学院饶峰教授与西安交通大学金属材料强度国家重点实验室张伟教授、美国约翰霍普金斯大学马恩教授等合作,在相变存储材料与器件研究方面取得重要进展。相关成果以“Phase-change Heterostructure Enables Ultralow Noise and Drift for Memory Operation”(超低噪声与漂移的相变异质结存储器)为题,于2019年8月22日在Science(《科学》)上以First Release形式发布。论文链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291。

      相变随机存储器(PCRAM)是近年来倍受关注的新型非易失性存储器之一,基于PCRAM技术的神经元计算器件是当前研发的一个焦点。目前,商用Ge2Sb2Te5(GST)基PCRAM器件在反复可逆相变操作过程中,存在多数据态存储操作时各态电阻值波动较大、高密度存储阵列的单元间与单元内反复多次操作一致性较差等问题,从而造成神经元计算时噪声颇高,严重制约了高精度、高效率神经元计算器件的开发。

      聚焦上述关键问题,饶峰、张伟与马恩等提出了一种新型相变异质结(PCH),有效抑制了玻璃态相变材料结构弛豫和反复可逆相变过程中的组分偏析,降低了PCRAM器件数据态的阻值波动和漂移。该PCH由多个交替堆叠的相变层与限制层构成,通过原位加热且低速生长的多层薄膜磁控溅射沉积技术实现高质量相变异质结的制备。制备的PCH器件在迭代RESET操作时可实现9个稳定的多态存储(各电阻态阻值漂移系数小于~0.005,远低于非晶GST器件的~0.11),并在累积SET操作时器件电导呈现高一致性(波动小于9%,而GST器件波动则超过40%)。此外,相比GST基器件而言,PCH器件的操作速度快一个数量级(达亚10 ns级)、操作寿命提升三个数量级、操作功耗降低超过87%。尤为重要的是,该PCH结构所采用的多层膜制备技术与现有PCRAM量产工艺匹配,无需开发额外复杂的工艺,不会大幅增加芯片制造成本。

      研究工作不仅为PCRAM适用于精准矢量矩阵乘法计算、快速时序相关探测以及其他要求高精度和高一致性的机器学习任务提供了可能,亦为发展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解决方案,有助于推进基于先进微电子技术的高性能神经元感知芯片的开发。




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