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IBM开发出新型单元素相变存储器
2018-06-28


[据物理世界网站2018625日报道] 近日,IBM苏黎世研究院与德国亚琛工业大学共同开发出基于玻璃态金属锑的新型单元素相变存储器,解决了传统多元素相变存储器局部组分变化问题,为进一步缩小相变存储器尺寸、增大存储密度奠定了基础。



新一代非易失性存储器



国际数据公司(IDC)最新发布的白皮书显示,当前全球数字信息总量每两年翻一番,到2025年可达到160泽字节(1ZB=270B)水平。相变存储器技术是目前最有希望满足全球数字信息总量增长需求的新型非易失性存储技术之一。相变存储器利用相变材料的相态转换来实现数字信息存储:当相变材料呈晶态时具有高电导性,对应逻辑“1”;转换为亚稳态无定型状态(即玻璃态)时具有低电导性,对应逻辑“0”。由于相变存储器相变材料的相态转换是通过电压脉冲加热诱导的,因此相变材料越少,加热过程中所耗费的电能就越少。



传统相变存储器的相变介质是复杂的合金混合物,而且为了调节物理特性还要掺杂少量的其他化学元素。目前传统相变存储器已具有较高的数据存储密度,但要满足未来更高的数字信息存储需求,还需要进一步缩小相变存储单元的尺寸,以实现数据存储密度的大幅提升。然而,当存储单元尺寸越来越小时,相变材料局部组分的改变对器件性能的影响将越严重,容易导致器件功能退化。



为解决相变材料局部组分变化问题,研究人员决定使用单元素材料代替复杂的掺杂合金作为相变存储器的相变介质。锑在晶态时具有半金属特性,呈无定型薄膜状态时具有半导体特性,两种状态导电性差异明显,且容易实现相态快速转换,因此选择锑作为开发高度缩微相变存储器是一种理想的选择(空间尺寸减小会使材料的结晶速度变慢)。



纳米尺度下的快速熔体淬火



由于锑金属在室温下会迅速结晶,所以至今还没有室温下制备稳定无定型锑的好方法。为解决这一问题,研究人员首先将纯锑组成的相变介质薄膜厚度压缩至5纳米,并用40纳米厚的二氧化硅热电隔离层进行密封,构造出纳米尺度的相变环境;然后以1010开尔文/秒的速率对熔融态锑金属实施快速熔体淬火,得到无定型锑。实验结果显示,制备出的无定型锑可以在20°C温度下稳定存在大约51个小时。



直接应用领域



目前新型锑金属基单元素相变存储器的工作电压脉冲长度仅为10纳秒,通过进一步缩小尺寸,降低功耗,增强耐久性,有望直接应用于内存内计算in-memory
computing
)、记忆型储存级存储器memory-type storage class memory)、脑启发计算brain-inspired computing)等前沿技术领域。然而,要想实现这些应用并非一帆风顺,因为电子器件的内部工作温度一般为6070°C,在该温度条件下,新型相变存储器中的无定型锑目前只能稳定存在大约100秒。研究人员计划通过进一步减小锑金属薄膜的厚度、使用更加优良的隔离材料和增加对锑金属的密封性等途径提升无定型锑的稳定度。此外,为了使新型相变存储器具有超越主流动态随机存储器和静态随机存储器的竞争力,还需要进一步缩短锑金属无定型化的时间(目前为50纳秒)。尽管如此,IBM苏黎世研究院与德国亚琛工业大学的研究成果已经证实了单元素相变存储器的可行性,是前所未有的巨大成就。
(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)



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