一根“相变纳米丝”一篇Nature！

  随着人工智能、物联网和大数据技术的快速的提升，处理器处理的数据量飞速增加。为了应对基于传统冯-诺依曼体系的计算机在处理大数据时由于数据在内存和处理器之间传输而导致的高能耗问题，研究者们探索了如、电阻式、铁电和磁性随机存取存储器等新型存储技术。这些技术因其可以在一定程度上完成高效数据处理和存储而被认为是未来计算系统的关键。特别是PCM，以其简单的结构、快速响应、长期数据保持、以及高度的可定制性，成为了极具潜力的候选技术。然而，PCM面临的主要挑战是其较高的工作电流，特别是复位电流，这降低了其能效。为解决这一问题，研究集中在减小电流需求上，例如通过缩小底部电极接触面积、开发超晶格结构PCM，以及使用碳纳米管电极。尽管这些努力取得了一定进展，但仍面临成本、制造复杂性和技术限制的挑战

  在此，韩国科学技术院Shinhyun Choi教授课题组展示了一种通过形成相变 SiTex 纳米丝来降低 PCM 重置电流的器件。在不牺牲制造成本的情况下，所开发的纳米丝 PCM 实现了超低重置电流（约 10 μA），比高比例的传统 PCM 小一到两个数量级。该器件保持了良好的存储器特性，如大导通/关断比、快速度、小变化和多级存储器特性。此发现是为神经形态计算系统、边缘处理器、内存计算系统甚至传统内存应用开发新计算范例的重要一步。相关成果以“Phase-change memory via a phase-changeable self-confined nano-filament”为题发表在《Nature》上，第一作者为See-On Park, Seokman Hong为共同一作。

  图1展示了两种相变存储器（PCM）设计。图1a为传统PCM，利用底部电极接触（BEC）加热GST材料来结晶和非晶化操作，复位电流与BEC尺寸相关。而图1b所示新型PCM无视BEC大小，通过电形成纳米丝在无BEC纳米丝中产生热量以限制相变区域。该设备通过在电极间依次沉积Te和Si，利用正偏压下Te原子迁移至a-Si层，形成纳米丝状SiTex结构。通过TEM分析，作者观察了新型PCM中的SiTex细丝，显示出约5.5 nm直径的细丝清晰形态和多晶相特征，快速傅立叶变换（FFT）分析提供了长丝和非长丝区域的电子衍射图，显示出各区域结晶度的明显差异（图 1d）。

  图2通过一系列分析新型超低电流相变存储器（NFPCM）的存储特性和性能，展现了器件电阻与编程电流之间的关系。采用特定脉冲电流，实现了在5×5µm²器件上的超低复位电流（60µA）和高导通/关断比（102），相比传统PCM的复位电流（约10A）明显降低。这得益于SiTex纳米丝的自封闭结构，增强的焦耳加热效应降低了达到熔化温度所需的电流。进一步研究之后发现，随着非晶硅层（a-Si）厚度的增加，复位电流明显减少。通过对不同厚度的a-Si层NFPCM进行电热模拟，揭示了较厚的a-Si层能更有效地阻止热量散失，以此来降低复位电流。此外，a-Si层的厚度还影响阈值电压（Vth），阈值电压随a-Si层厚度减少而降低。有趣的是，通过在顶端电极施加负偏压，回缩纳米丝中的过量碲，能更加进一步降低复位电流至约10μA，同时提高Vth和电阻。这些发现为优化NFPCM的性能提供了重要见解。

  尽管理论上探讨了SiTex相变材料作为相变存储器（PCM）的潜力，但关于其作为PCM实际应用的实验证据较少。本研究通过实验证实了SiTex在非晶态和结晶态之间相变过程中展现出的出色数据存储特性。通过分析非晶态SiTex纳米丝在复位状态下的电阻率随温度变化（从313 K升至466 K），发现其电阻切换行为源自非晶态与多晶态SiTex纳米丝之间的相变，而原子比例保持不变（Si原子25%，Te原子75%）。

  进一步地，研究表明，PCM的设定和复位过程遵循材料的时间-温度-转变关系，即在较短脉冲宽度下需要更高的电流（温度）以形成结晶态，而在较长脉冲宽度下所需电流较低。这一现象在NFPCM中得到了证实，表明热致相变在设定过程中起主导作用。此外，通过双极操作观察到的从非晶态到多晶态的电阻切换进一步验证了NFPCM电阻切换主要由焦耳热效应引起的热诱导相变驱动，与极性关联性较小。这一发现为理解和优化NFPCM的存储特性提供了重要见解。

  为评估新型超低电流相变存储器（NFPCM）在高密度PCM阵列实现中的可扩展性，作者将器件尺寸缩减至几十纳米级别，并比较了NFPCM与传统基于GST的PCM在相同尺寸下的复位电流。实验中，在直径为40纳米的TiN底部电极接触（BEC）电极上制备了NFPCM和GST基PCM，结果显示NFPCM的复位电流仅为50μA，相比之下，GST基PCM的复位电流高达750μA，即NFPCM的复位电流大约仅为GST基PCM的1/15。

  此外，作者还将NFPCM与其他几种低电流PCM技术进行了复位电流和电极尺寸的对比，结果表明即使在更大的电极尺寸下，NFPCM的复位电流也至少低三倍，采用负偏压技术后，复位电流可逐步降低至20倍以下。这一对比不仅彰显了NFPCM在复位电流和可扩展性方面的显著优势，还突出了其在非易失性、多级存储和高能效性能方面的潜力。基于这些优势，研究团队认为NFPCM能够为开发神经形态计算系统、边缘处理器、内存计算系统和传统存储应用提供一个全新的计算范式基础。

  本文开发了一种名为 NFPCM 的超低电流 PCM，其复位电流低于 60 μA，同时通过形成直径约为 5.5 nm 的可相变自封闭 SiTex 纳米丝，保持了快速、良好的耐久性和高开关比。TEM 成像证实了 SiTex 纳米丝的狭窄形态。EDS 分析、Tg 比较和 SiTe 薄膜器件的电开关证明了丝的元素组成为 25% 的 Si 和 75% 的 Te。与其他低电流 PCM相比，NFPCM 的重置电流要低得多，这证明了它在高能效 PCM 器件方面的有效性。传统的基于 GST 的 PCM 需要几纳米的器件尺寸才可以获得小于 100 μA 的复位电流，与此不同，NFPCM 无需高度密闭的电极就能获得更低的复位电流（约 10 μA）。此研究结果克服了传统 PCM 的扩展限制，为开发基于 PCM 的高能效未来计算系统提供了可能。

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