上海微系统所成功研制世界上最小尺寸的相变存储单元

DT半导体材料 2022-08-09 18:00

当今数据生产呈现爆炸式增长,传统的冯·诺依曼计算架构已成为未来继续提升计算系统性能的主要技术障碍。相变随机存取存储器(PCRAM)可以结合存储和计算功能,是突破冯·诺依曼计算构架瓶颈的理想路径选择。它具有非易失性、编程速度快和循环寿命长等优点。然而,PCRAM中相变材料与加热电极之间的接触面积较大,造成相变存储器操作功耗较高,如何进一步降低功耗成为相变存储器未来发展面临的最大挑战之一。缩小加热电极尺寸是降低功耗的关键。


石墨烯纳米带(GNR)是一种准一维的石墨烯纳米结构,其具有超高载流能力(>109 A/cm2),且热稳定性高,可以用作相变存储器的加热电极。


中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员宋志棠、王浩敏组成联合研究团队首次采用GNR边缘接触制备出目前世界上最小尺寸的相变存储单元器件。7月18日,相关研究成果以《通过石墨烯纳米带边界接触实现相变存储器编程功耗最小化》(Minimizing the programming power of phase change memory by using graphene nanoribbon edge-contact)为题,在线发表在《先进科学》(Advanced Science)上。


研究团队采用石墨烯边界作为刀片电极来接触相变材料,可实现万次以上的循环寿命。当GNR宽度降低至3 nm,其横截面积为1 nm2,RESET电流降低为0.9 μA,写入能耗低至~53.7 fJ。该功耗比目前最先进制程制备的单元器件低近两个数量级,几乎是由碳纳米管裂缝(CNT-gap)保持的原最小功耗世界纪录的一半。同时,GNR作为加热电极且充当半导体沟道材料,可在2.5 MHz的时钟频率下实现D型触发器的时序逻辑功能。


这是目前国际上首次采用GNR边缘接触实现极限尺寸的高性能相变存储单元,器件尺寸接近相变存储技术的缩放极限,实现了超低功耗、高编程速度、出色的高/低电阻比,并展现出良好稳定性/耐用性。该新型相变存储单元的成功研制代表了PCRAM在低功耗下执行逻辑运算的进步,为未来内存计算开辟了新的技术路径。


研究工作得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项和上海市科学技术委员会等的支持。


图1.采用GNR边缘接触制备出目前世界上最小尺寸的相变存储单元器件(a)相变存储单元结构示意图;(b)功耗与接触面积的关系。


图2.器件循环寿命的偏压极性依赖性。(a)测量设置示意图;(b)~3 nm 宽 GNR 边界电极相变存储单元在不同电压极性下的循环寿命。


来源:中国科学院上海微系统与信息技术研究所

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