Science：降低晶体形核随机性以获得亚纳秒级数据存储速度

青皮桔和山楂糖 6年前 (2017-11-26) 3965浏览

【引言】

相变存储器（PCRAM）被视为新一代非易失电子存储器之一。其利用硫化合物相变材料的非晶态和晶态之间存在的显著电阻差异，对数字信息进行编码。相变材料在高温下在两个晶体相之间可以进行快速并可逆的相变，同时两个晶体相在室内下具有很好的热稳定性。即相变存储既具有内存（DRAM）快速读入的能力，又具有闪存固态硬盘的长时间数据保持力。相变存储器超高速的擦除过程（非晶化）可以通过器件的热力学设计来完成，然而写入过程（结晶化）则依赖于材料本身的属性。目前商用相变材料锗锑碲(GeSbTe)最快的写入速度为10纳秒，如何进一步提升该读写速度一直是业内重点关注的问题。

【成果简介】

近日，中科院上海微系统与信息技术研究所饶峰副研究员和西安交通大学的张伟教授合作开展了相关研究工作，其研究成果以“Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing”为题发表在Science上。本文通过材料计算设计的方法来调控相变材料的晶核形成速率，合成新型相变材料钪锑碲(ScSbTe)，大幅降低形核时间，达到超高速的写入速度，仅为0.7纳秒。同时钪锑碲器件的操作功耗相比于传统锗锑碲器件降低了近90%。通过材料计算，研究人员清晰地揭示了钪锑碲超快结晶化以及超低功耗的微观机理。

【图文导读】

图1：材料筛选。

（A）在各种碲化物中筛选与立方相碲化锑几何结构匹配的材料。

（B）碲化锑与筛选而得的碲化钪之间的对比，后者具备更强的化学键。

图2：立方相钪锑碲SST。

(A) ~300nm厚的GST和SST薄膜在同样为10℃/min的加热速率下，表面电阻随温度的变化情况。(B)270℃下退火的~20nm厚SST薄膜的透射电镜图像。

(C)图(B)对应的选区电子衍射图。

(D-F)从(B)中选取的三个典型晶粒的高分辨透射电子显微镜图像，依次沿[1-11]、[011]和[001]轴。

图3：相变存储器件性能。

(A)钪锑碲SST和锗锑碲GST相变存储器设备在同一几何尺寸下写入速度随电压的变化关系。内部插图为器件结构图，底端接触电极上部红色蘑菇型区域为相变操作区域。

(B) 周期循环性：钪锑碲器件可以重复进行超快写入SET和擦除RESET操作，至少完成105次循环。

图4：基于密度泛函的分子动力学模拟。

(A) 非晶钪锑碲SST和锗锑碲GST在零温下的结构分析。

(B)和(C)为600K时SST和GST中四元环的稳定性分析。

(D) 600K下SST的微观结晶过程。

【总结】

这一研究成果对深入理解和调控非晶态材料的形核与生长机制具有重要的指导意义，并为实现我国自主的通用存储器技术奠定了基础。

文献链接：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing(Science，2017，DOI:10.1126/science.aao3212)

延伸阅读

  1. W. Zhang, M. Wuttig,et al.Nat. Mater.11, 952-956 (2012). Role of vacancies in metal-insulator transitions of crystalline phase-change materials.
  2. M. Zhu, F. Rao,et al.Nat. Commun.5, 4086 (2014). One order of magnitude faster phase change at reduced power in Ti-Sb-Te.
  3. F. Rao, Z. Song,et al.Nat. Commun.6, 10040 (2015). Direct observation of titanium-centered octahedra in titanium-antimony-tellurium phase-change material.
  4. W. Zhang, E. Ma,et al.MRS Bulletin40, 856-865 (2015). Density functional theory guided advances in phase-change materials and memories.
  5. I. Ronneberger, W. Zhang,et al.Adv. Funct. Mater.25, 6407-6413 (2015). Crystallization properties of the Ge2Sb2Te5 phase-change compound from advanced simulations.
  6. Y. Zheng, F. Rao,et al.Nano Research9, 3453-3462 (2016). Direct observation of metastable face-centered cubic Sb2Te3 crystal.

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