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材料学院在超高速相变存储研究方面取得重要进展   2017/11/13   浏览次数:266

 

材料学院在超高速相变存储研究方面取得重要进展

 

 

材料学院饶峰特聘教授与西安交通大学张伟教授、马恩教授合作,在超高速相变存储研究方面取得重要进展。相关研究成果以Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing (降低晶体成核随机性以实现亚纳秒存储)为题于20171110日在Science(《科学》)以First Release形式发布。

 

 

论文链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2017/11/08/science.aao3212DOI: 10.1126/science.aao3212

 

 

非晶态材料的晶核形成与生长机制始终是材料科学领域关键的科学问题,形核过程具有很大的随机性,往往难以被调控,制约着许多产业与技术的发展。以新兴的相变存储器(PCRAM)技术为例(Science 332, 543):传统相变材料形核随机性较大,其结晶化过程通常需要几十至几百纳秒,即便采用预脉冲操作等器件设计手段(Science 336, 1566)可降低形核随机性,但PCRAM的实际写操作速度仍然无法媲美高速型存储器,如DRAM内存(亚十纳秒)和SRAM缓存(亚纳秒)。而另一方面,由于目前商用计算体系架构内各存储部件(缓存、内存和闪存)之间性能差距日益加大,国际半导体巨头IntelSamsungIBM等多年来致力于将PCRAM技术发展为Universal Memory通用存储器,以期推动计算体系架构的根本性变革,并继续抢占技术制高点。我国在存储芯片技术方面发展相对滞后,进口存储芯片所耗费的外汇多年来超过石油,长此以往,将对我国信息产业发展与信息安全形成重大隐患。

 

为此国家大力支持PCRAM技术的发展,经过十多年的努力已步入产业化前期,并在基础研究方面积累了大量经验。饶峰、张伟等人聚焦PCRAM领域,提出了全新的超高速相变材料设计方案,即降低非晶相变薄膜形核的随机性以实现超高速结晶化(写)操作。通过理论模拟,设计了新型相变材料钪锑碲合金,利用结构适配且更加稳定的钪碲化学键来加速晶核的孕育过程,显著地降低了形核过程的随机性,大幅加快了结晶化(写)操作速度,达到了0.7纳秒的高速可逆操作,循环寿命大于1E7次。与传统锗锑碲器件相比,钪锑碲器件的操作功耗降低了近10倍。并通过材料模拟计算,阐明了超快结晶化以及超低功耗的微观机理。这一研究成果对深入理解和调控非晶态材料的形核与生长机制具有重要的指导意义,并为实现我国自主的通用存储器技术奠定了坚实的基础。

 

 

该工作获得了国家自然科学基金优秀青年基金项目、深圳市基础研究项目、中科院战略性先导专项等项目资助。材料学院饶峰教授为本论文第一、通讯作者,丁科元博后为共同第一作者,深圳大学材料学院为本论文第二单位。

   

 

 

    钪锑碲(SST)PCRAM器件~0.7纳秒的高速写入操作,较传统锗锑碲(GST)器件快10倍,及其微观高速结晶化机制。

 

 

材料学院

2017年11月13日

 
 
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