受人脑神经生物学功能和结构的启发,研究人员一直在开发神经形态计算,通过使用人工神经元和突触在同一物理位置执行处理和存储。然而,没有硬件,任何概念技术都无法成为现实。

在过去的半个世纪里,通信和计算的重大发展(预计这一趋势将继续保持高速发展),数字数据的爆炸性增长,迫切要求能够超快编程速度和超高密度的存储器装置,但主流的动态随机存取存储器(DRAM)和闪存器件不能满足这些要求。如果仍然通过传统计算机上的人工智能方法来分析指数级增长的大数据,这需要更多的计算能力,同时也伴随着更高的运营能量成本。如果效率的增长能够超过需求,那么由更好的设备提供的计算效率的提高可能能够遏制产生的碳足迹。

被称为相变 (PC) 存储器的一类存储设备有望在神经形态计算机中实现更高效的学习算法,因为它们还可以作为处理单元工作,两个单元件设备的集成(即带有单元件开关的单元件PC存储器)越来越吸引人们的兴趣。

鉴于此,来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠教授、朱敏研究员团队通过使用纯元素碲(Te)构建具有大驱动电流和快速开关速度的电气开关,可用于高效操作交叉点存储器架构中的PC单元(Figure 1)。通过用单个元素创建逻辑门,该设计解决了材料化学计量和选择性元素迁移带来的挑战。单元件设计代表了迈向高密度、快速和非易失性 PC 存储器的关键一步。相关研究成果以题为“Elemental electrical switch enabling phase segregation–free operation”发表在最新一期《Science》上。

Figure . 示意图

【实验设计】

作者制备了T形开关器件,其电极大小介于60到200 nm之间,由纯Te薄膜(纯度≥99.99%)制成。横截面TEM图像显示了带有60-nm TiN插头的Te器件,在其上方堆叠了一个~20 nm的Te层(图1A)。作者接下来测量了连续脉冲下Te器件的电流-电压(I-V)曲线(图1B,表明其开关行为是完全可重复的。与 Te 单元本质上完全不同的是,元素Sb器件具有相同的T形器件结构和20 nm膜厚,表现出典型的非易失性存储器特征,其特征在于非易失性IV行为。有趣的是,Te单元的电压值,包括Vfire、Vth和Vhold,几乎不随电极尺寸变化(图1C)。对于Vfire,当超过100个单元,最大变化为0.7 V,从而表明可预测参数按比例缩放的电路设计。导通电流密度JON随器件尺寸的减小而二次增加(图1D)。作者发现约 12 ns 内的大JON值(图1E),而关闭开关的时间约为 13 ns。该切换时间几乎比得上DRAM(10纳秒),表明碲开关还可以用于在未来类似DRAM的PCM装置上。

图 1. Te开关器件的结构和性能

【器件性质】

相分离问题经常在失效的开关单元中观察到,而纯元素Te开关材料避免了任何相分离问题。作者通过使用方波电压脉冲实现了2×108周期的耐久性(图2A)。此外,由碲制成的开关单元证明了双向阈值开关特性(图2B),表明其在其他新兴存储器类型中的潜在应用,例如电阻随机存取存储器(RRAM)。Te薄膜仍可切换至5 nm厚度,而不会牺牲导通电流(图2C)和断路电流。令人惊讶的是,对于5 nm和10 nm Te器件,Vth值降低到~1.1 V,这意味着Te器件不遵循电场驱动过程,使其与OTS单元明显不同。为了研究热稳定性,作者将200 nm Te单元在100 °C至400 °C下退火30分钟。然后作者在室温下测量了它们的I-V曲线(图2D),即使在400°C处理后,Te开关仍表现出明显的阈值切换行为

图 2. 热退火前后 200 nm Te 开关器件的特性

【微观结构与可重复性】

作者用TEM研究了重复操作后Te单元的微观结构(图3A-D),解释了其良好的热稳定性。离TiN塞最远的Te层是全结晶的,采用三角形结构(图3B),TiN塞正上方的Te层也是结晶的,但具有不同的取向(图3C)。Te的原子EDS映射证实了Te膜的高纯度。作者通过在100°C、130°C、150°C、175°C和200°C下测量了亚阈值区域的IV曲线,证明了晶体Te基单元具有高电阻状态(具有低漏电流)和易失性切换行为(图3E)。

图 3. Te开关中低关断电流的起源

【器件开关机制】

作者进行了原位TEM研究以监测Te单元的转换过程。通过在CuTEM网格上制备了~100到200 nm直径的Te纳米器件(图4A),T形装置具有相同的夹层结构(TiN/Te/TiN,图1A)。沉积的Te层处于三角相位(图4C),作者通过相应的快速傅立叶变换(FFT)图像(图4D)识别出该相位。然后通过将应用的纳米操纵器、钨尖端接触到Te纳米装置上,作者记录了I-V曲线和相应的时间(图4B)。在开关过程开始时(图4G-J),Te器件处于关断状态,通过电流可以忽略不计。随着时间的推移,作者测量了相应的电流(图4B,红色箭头)。由于开关过程中纳米器件的轻微颤动,Te膜的晶格略微模糊。尽管如此,当电压超过2.5V时,Te膜似乎熔化了(图4H-J)。去除外加电压后,液态Te层由于其超低的结晶温度(–10 °C)而自发地重结晶回三角结构(图4E),具有纳秒级的结晶速度,这反过来又导致了OFF状态的形成。再结晶的Te在转换之前(图4D)和转换之后(图4F)具有明显不同的晶体取向,进一步证实了纯元素Te转换中的结晶-液晶-液晶相变机制

【总结】

作者提出了一种单元素碲(Te)易失性开关具有大驱动电流密度(≥11兆安/平方厘米)~103的开/关电流比和快于20 ns的开关速度。低OFF电流源于Te电极界面处约0.95电子伏特肖特基势垒的存在,而纯Te的瞬态电压脉冲诱导的晶液熔化转变导致高导通电流。同时发现单元件电子开关可能有助于实现更密集的存储芯片



2021年12月10日

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上海微系统所宋志棠、朱敏《Science》!