中国科学院上海微系统与信息技术研究所团队首次采用GNR边缘接触制备出目前世界上最小尺寸相变存储单元器件

日期:2022-08-09 阅读:399
核心提示: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(PCRA

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:来源:中国科学院上海微系统与信息技术研究所)

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