【前言】

信息存儲(chǔ)在人類歷史的演變中發(fā)揮了重要作用。如今，電子技術(shù)的發(fā)展大大增加了數(shù)碼數(shù)據(jù)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)碼數(shù)據(jù)量每?jī)赡攴环?020年，將達(dá)到44澤字節(jié)（1澤字節(jié) = 10萬(wàn)億億字節(jié)）。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，每秒鐘都有大量的數(shù)據(jù)以視頻、音樂(lè)、圖片、網(wǎng)上社交、商業(yè)信息等形式產(chǎn)生并傳輸。因此，大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和處理將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)下迫切需要具有快速度、高密度和低功耗的非易失性電子存儲(chǔ)器件來(lái)應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。相變存儲(chǔ)技術(shù)作為最早進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之一的高速非易失性存儲(chǔ)技術(shù)備受全球半導(dǎo)體業(yè)界關(guān)注，然而目前還面臨著功耗高等難題，這對(duì)高密度存儲(chǔ)集成電路進(jìn)一步開發(fā)帶來(lái)障礙。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，來(lái)自吉林大學(xué)的李賢斌副教授、陳念科博士和清華大學(xué)孫洪波教授聯(lián)合在Advanced Functional Materials上發(fā)表綜述文章，題為：Phase‐Change Superlattice Materials toward Low Power Consumption and High Density Data Storage: Microscopic Picture, Working Principles, and Optimization。本文首先總結(jié)了相變存儲(chǔ)材料在信息技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，特別介紹近幾年相變存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)—GeTe/Sb₂Te₃超晶格材料在超低功耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結(jié)構(gòu)和工作原理探究方面的主要進(jìn)展，并對(duì)目前提出的主流工作機(jī)制進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和分析：開發(fā)超晶格相變存儲(chǔ)器的日本產(chǎn)綜研最早提出Ge層整體翻轉(zhuǎn)的工作機(jī)制，然而該機(jī)制面臨原子跳變勢(shì)壘大、原子模型難以被電鏡實(shí)驗(yàn)觀察等困難，在此上介紹了業(yè)界最近提出的另外幾種重要機(jī)制，包括微區(qū)部分融化（部分非晶化）機(jī)制、堆疊層錯(cuò)輔助金屬絕緣體相變機(jī)制、應(yīng)變輔助相變機(jī)制等。文章進(jìn)一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素?fù)诫s對(duì)器件性能的影響，并據(jù)此提出提升器件性能的超晶格材料優(yōu)化策略。最后，展望了超晶格相變存儲(chǔ)材料的新型應(yīng)用。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)碼數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)

圖2. 計(jì)算機(jī)中的典型存儲(chǔ)架構(gòu)

圖3. 相變存儲(chǔ)基本原理及應(yīng)用

圖4. 相變存儲(chǔ)材料工作過(guò)程中的能量耗散示意圖

圖5. 基于鍺銻碲超晶格（GST-SL）的器件特性和結(jié)構(gòu)表征

圖6. GST-SL目前主流的原子模型

圖7. GST-SL中的Ge/Sb元素混合現(xiàn)象

圖8. GST-SL中的堆垛層錯(cuò)現(xiàn)象

圖9. Ge層翻轉(zhuǎn)的有序-有序相變微觀機(jī)制示意圖

圖10. GST-SL中層錯(cuò)運(yùn)動(dòng)輔助的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變機(jī)制

圖11. GST-SL中應(yīng)變輔助的相變機(jī)制

圖12. GST-SL部分熔化相變機(jī)制

圖13. 超晶格材料優(yōu)化策略：襯底優(yōu)化、組分優(yōu)化及元素?fù)诫s

【總結(jié)】

作者系統(tǒng)回顧了新型相變存儲(chǔ)材料鍺銻碲超晶格(GST-SL)的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展。GST-SL最主要的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，從而克服PCM應(yīng)用的高功耗問(wèn)題。另外，GST-SL在類腦/神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域具有巨大的潛力，也為后馮·諾伊曼計(jì)算架構(gòu)以及人工智能硬件開發(fā)提供機(jī)會(huì)。

文獻(xiàn)鏈接：Phase‐Change Superlattice Materials toward Low Power Consumption and High Density Data Storage: Microscopic Picture, Working Principles, and Optimization, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803380)