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Science: 相变异质结构实现超低噪声和漂移的存储
发布:lee_9124   时间:2019/10/15 18:00:20   阅读:156 
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【研究背景与研究进展】

?#26031;?#26234;能和其他数据密集型应用的迅速发展?#32422;?#31639;机的数据存储和处理提出了新的需求。基于相变随机存取存储器(PCRAM)的神经激励计算设备,可以通过将存储与存储单元中的计算统一起来,?#22411;?#25171;?#21697;?#35834;依曼屏(指令运算与数据存储之间的通信缓慢,耗时,耗能)。?#27426;?#30446;前的PCRAM器件存在较大的噪声和电阻漂移,影响了器件的精度和一致性。

今日,深圳大学饶峰;西安交通大学张伟,约翰霍普金斯大学马恩(共同通讯作者)在Science上发表了一篇关于相变异质结存储器的文章,实现了超低噪声和漂移存储,文章题目为“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”。

【图文简介】

图1 材料设计
 

 
(A和B)显示蘑菇型PCRAM设备中PCM和PCH的切换的示意图。黄色区域代表PCMS的结晶状态,而橙色的平板则表示限制层。红色区域是与晶体环境接触的?#34892;?#32534;程区域,箭头表示发生在液态和过冷液态中的原子扩散。扩散?#36739;?#26159;沿给定偏压极性的输入电脉冲的扩散?#36739;頡?#23545;于PCMS,在广泛的循环过程中,BEC附近可能形成空洞。
(C和D)TiTe2和Sb2Te晶体的原子结构和COHP分析。-COHP曲线的左右部分分别表示反键(不稳定)和键(稳定)相互作用。红色箭头标记了Sb2Te3中费米能级EF正下方的反键区。

图2 抑制元素扩散
 

 
(A和B)与GST装置形?#19978;?#26126;对比的是,PCH装置的?#27425;?#21644;设定状态的电阻值是稳定的。编程时分别用2.3和1.7V的10 ns电压脉冲?#27425;?#21644;设置PCH器件,用5.0和2.5V的50NS电压脉冲?#27425;?#21644;设置GST器件。
(C)异质结构模型在1300 K下沿DFMD模拟提取的垂直?#36739;?#30340;扩散系数分布。虚线表?#31350;?#29366;Sb2Te3的扩散系数。着重讨论了Sb、Te等液体原子的扩散路径。
(D)在强电子束辐照下5MIN,PCH薄膜的Sb2Te3亚层部分变成非晶态,而TiTe2亚层则保持完全结晶。

图3抑制阻力漂移
 

 
(A)电池电阻作为PCH装置?#27425;?#21644;设?#31859;?#24577;的时间函数。
(B)电池电阻是约150 nm厚的Sb2Te3器件?#27425;?#21644;设?#31859;?#24577;的时间函数,其下的w插?#20998;?#24452;约190 nm。
(C)对于夹在SiO2层之间的~5nm厚非晶Sb2Te3薄膜,薄膜电阻随时间的变化。
(D)高分辨率TEM图像和相应的电子衍射图,证实薄膜处于完全非晶态。
(E和F)迭代重置和累积集合运算。

图4提高重置能量、设定速度和循环耐受力
 

 
(A)重置能量作为GST和PCH装置BEC直径的函数。
(B)对于具有相同几何结构的PCH和GST器件,将速度设置为电压偏置的函数(BEC直径为190nm)。
(C)PCH装置在1.5V下可在8ns内完成设定操作。
(D)GST装置的循环寿命约为1×106次。

【小结】

研究者设计了一种相变异质结构(PCH),它由交替堆叠的相变纳米层和限制纳米层组成,以抑制噪声和漂移,允许可靠的迭代重置和累积集操作,可用于高?#38405;?#30340;神经启发计算。这种PCH架构可以作为一种固有的材料解决方案进行工业生产,而不需要复杂的制造过程或大大增加的制造成本。


来源:材料人网
 
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