上海微系統所成功研制世界上最小尺寸的相變存儲單元

                文章來源:上海微系統與信息技術研究所  |  發布時間:2022-07-22  |  【打印】 【關閉

                  

                  當今數據生產呈現爆炸式增長,傳統的馮·諾依曼計算架構已成為未來繼續提升計算系統性能的主要技術障礙。相變隨機存取存儲器 (PCRAM)可以結合存儲和計算功能,是一條突破馮·諾依曼計算構架瓶頸的理想路徑選擇。它具有非易失性、編程速度快和循環壽命長等優點。然而,PCRAM中相變材料與加熱電極之間的接觸面積較大,造成相變存儲器操作功耗較高,如何進一步降低功耗成為相變存儲器未來發展面臨的最大挑戰之一??s小加熱電極尺寸是降低功耗的關鍵。石墨烯納米帶(GNR)是一種準一維的石墨烯納米結構,其具有超高載流能力(>109 A/cm2),且熱穩定性高,可以用作相變存儲器的加熱電極。

                  中國科學院上海微系統與信息技術研究所宋志棠研究員與王浩敏研究員組成聯合研究團隊首次采用GNR邊緣接觸制備出世界上最小尺寸的相變存儲單元器件。研究成果以通過石墨烯納米帶邊界接觸實現相變存儲器編程功耗最小化(Minimizing the programming power of phase change memory by using graphene nanoribbon edge-contact為題,2022718日在線發表于《先進科學》(Advanced Science)期刊。論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202202222。

                  聯合研究團隊采用石墨烯邊界作為刀片電極來接觸相變材料,可以實現萬次以上的循環壽命。當GNR寬度降低至3 nm,其橫截面積為1 nm2,RESET電流降低為 0.9 μA,寫入能耗低至 ~53.7 fJ。該功耗比目前最先進制程制備的單元器件低近兩個數量級,幾乎是由碳納米管裂縫(CNT-gap)保持的原最小功耗世界記錄的一半。與此同時,GNR不僅作為加熱電極還充當半導體溝道材料,可在2.5 MHz 的時鐘頻率下實現 D 型觸發器的時序邏輯功能。

                  這是國際上首次采用GNR邊緣接觸實現極限尺寸的高性能相變存儲單元,器件尺寸接近相變存儲技術的縮放極限,實現了超低功耗、高編程速度、出色的高/低電阻比并且展現出良好穩定性/耐用性。該新型相變存儲單元的成功研制代表了 PCRAM 在低功耗下執行邏輯運算的巨大進步,為未來內存計算開辟了新的技術路徑。

                  中科院上海微系統與信息技術研究所宋三年研究員和王秀君博士為論文共同第一作者,王浩敏研究員和宋志棠研究員為共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部國家重點研發計劃,中國科學院先導項目、上海市科委等的項目資助。

                   

                  

                  圖1. 采用GNR邊緣接觸制備出世界上最小尺寸的相變存儲單元器件(a)相變存儲單元結構示意圖;(b)功耗與接觸面積的關系。

                  

                  圖2. 器件循環壽命的偏壓極性依賴性。(a)測量設置示意圖;(b~3 nm GNR 邊界電極相變存儲單元在不同電壓極性下的循環壽命。

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