發(fā)布時間：2020-12-25 11:00

　　人工智能等數(shù)據(jù)密集型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)和處理介質(zhì)提出了極高的要求。作為利用材料相變產(chǎn)生的電阻差來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的PCRAM（Phase-change random access memory）因為其所具有的較好的性能優(yōu)勢有望應(yīng)用于非馮諾依曼計算架構(gòu)中。這就對PCRAM性能提出了更高的要求,不僅需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,同時還需要承擔(dān)計算任務(wù)。然而,目前的PCRAM器件在可逆相變過程中的電阻具有較大噪聲和漂移,從而影響其應(yīng)用。最近出現(xiàn)了一種新型的相變異質(zhì)結(jié)（Phase-change heterostructure,PCH）,通過在相變層Sb₂Te₃（ST）層中嵌入TiTe₂（TT）層,來限制元素遷移,極大改善了阻值穩(wěn)定性。PCH存儲器件具有較快的相變速度、較低的噪聲、較長的循環(huán)壽命、能穩(wěn)定保持多個阻態(tài)等一系列優(yōu)異的性能,應(yīng)用前景非常廣闊。但是為了進(jìn)一步提升其性能,保證實現(xiàn)其大規(guī)模應(yīng)用,需要以如下問題的解決為前提。比如與其循環(huán)壽命緊密相關(guān)的失效機制、與其相變速度和低噪聲緊密相關(guān)的相變機制以及其具有多個中間態(tài)的原因等。這些微觀... 

【文章來源】： 董自麒 浙江大學(xué)

【文章頁數(shù)】：98 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

各種內(nèi)存和存儲技術(shù)的訪問時間

魷攏??浜笏?竦?的低電阻狀態(tài)也能保持不變。兩種狀態(tài)光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)相差巨大，可以實現(xiàn)信息存儲，這是相變存儲材料的起源。1970年,世界上第一塊相變存儲單元成功研制，存儲容量為僅為256bits。它是由EnergyConversionDevices(ECD)公司與Intel的GordonMoore合作研制而成[35]。但是受限于半導(dǎo)體工業(yè)的水平，無法獲得容量較大且穩(wěn)定的相變存儲器件，所以未能實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。隨著近年半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及新發(fā)現(xiàn)性能更好的硫系化合物，這些都使相變存儲器的發(fā)展迎來了一個嶄新的時期。1.3.1相變存儲器原理圖1.2相變材料相變過程概括。（A）傳統(tǒng)蘑菇形PCM單元截面示意圖；(B)通過施加脈沖對PCM單元進(jìn)行編程和讀取，從而相應(yīng)地改變相變層溫度[36]Figure1.2SummaryofPCMoperation.(A)Cross-sectionalschematicoftheconventionalmushroom-typePCMcell.(B)PCMcellsareprogrammedandreadbyapplyingdifferentelectricalpulses[36].圖1.2為相變材料過程示意圖[36]。如圖(a)所示，電流通過頂部電極和加熱電極之間的相變材料。加熱電極與相變材料接觸的地方電流聚集導(dǎo)致形成一個蘑菇狀的可編程相變區(qū)域。PCM整個工作過程包括RESET（擦除，晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷啵娮枳兇�，對�?yīng)計算機語言為“0”）、SET（寫入，非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫啵娮枳冃�，對�?yīng)計算機語言為“1”）和讀取（READ）三種操作。如圖(b)所示，為了將PCM單元重置為非晶相，實現(xiàn)RESET操作，需要通過施加短時間（通常<50ns）的大電流脈沖來實現(xiàn)這一目的。在這個過程中，電流所帶來的熱量擴散必須足夠1.3相變存儲器(PhaseChangeMemory,PCM)

，實現(xiàn)SET操作，需要施加100ns–10μs的中等電流脈沖來實現(xiàn)。脈沖使器件在結(jié)晶溫度和熔化溫度之間的溫度條件下（高于500-600K，低于Tm）對編程區(qū)域進(jìn)行退火。同時，脈沖的持續(xù)時間必須足夠長，以使任何先前產(chǎn)生的非晶區(qū)完全結(jié)晶。這一過程通常比非晶化過程需要更長的時間，大約幾十到幾百納秒；為了讀取單元的狀態(tài)，在不干擾單元狀態(tài)的條件下，用一個較小的偏壓來測量電阻，因為晶態(tài)電阻較小，非晶態(tài)電阻較大，兩種狀態(tài)之間的電阻數(shù)值相差至少兩個數(shù)量級，因此可以通過所得到的電信號來判斷PCM所處的邏輯狀態(tài)[37]。圖1.3相變原理圖[37]Figure1.3Phasechangeprinciple[37].此外，閾值電壓對于PCM是非常重要的參數(shù)。它是所施加的能夠引起電擊穿效應(yīng)的電壓值，與在較高電場中結(jié)構(gòu)的不可靠性有關(guān)[38][39]。突然增加的電導(dǎo)能夠保證PCM器件在較為合適的電壓條件下迅速并且有效地獲得足夠的能量重結(jié)晶。因此，對于能夠表現(xiàn)出閾值相變的材料非常適用于相變器件[40]。許多研究結(jié)果表明閾值電壓與器件的尺寸成線性相關(guān)[41][42]，由此能夠說明決定電擊穿效應(yīng)的是與材料相關(guān)的閾值電場，而不是閾值電壓。如圖1.4a所示。但是當(dāng)器件尺寸低于10nm時，這條規(guī)律便不再適用[43]。有報道稱，利用低于閾值電場加速結(jié)構(gòu)改變以調(diào)節(jié)閾值電壓，有利于控制和改善相變器件的性能[44][45][46][47]。許多先進(jìn)的實驗方法被應(yīng)用于探究閾值轉(zhuǎn)變過程中的微結(jié)構(gòu)變化，包括原位透射電子顯微鏡。Meister等人[48]在相轉(zhuǎn)變過程中觀察到了空位形成。并且理論計算結(jié)果也能夠表

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[3]FIB-SEM雙束技術(shù)簡介及其部分應(yīng)用介紹[J]. 付琴琴,單智偉.  電子顯微學(xué)報. 2016(01)



本文編號：2937521