我国学者成功研制当前最小低功耗相变存储单元

　　

图1 采用GNR边缘接触制备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

图3 基于3 nm宽GNR边界电极的D型触发器逻辑功能演示。（a）D型触发器结构示意图；（b）器件处于高/低阻态下的转移特性曲线；（c）器件循环特性；（d）基于GNR边界接触的相变存储单元演示D型触发器的逻辑时序

　　在国家自然科学基金项目（批准号：91964102、91964204）等的资助下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、王浩敏等组成的联合研究团队采用石墨烯纳米带边缘接触制备出当前功耗最小的相变存储单元器件。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，于2022年7月18日在线发表于《先进科学》（Advanced Science）期刊。论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202202222。

　　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，是一条突破冯·诺依曼计算构架瓶颈的理想路径。它具有非易失性、可集成密度高、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。缩小加热电极尺寸成为降低功耗的关键。石墨烯纳米带（graphene nanoribbon，GNR）是一种准一维的石墨烯纳米结构，具有化学惰性和良好的热稳定性，并且具有超高载流能力（＞1E9 A/cm²），可以用作相变存储器加热电极。

　　研究团队利用六方氮化硼（h-BN）封装GNR，使相变材料与GNR形成边界接触，将电极尺寸推向极限小。测量结果表明：（1）当边界接触宽度减小至~3 nm时，其横截面积降至~1 nm²，相变存储单元不但可以实现万次以上的循环寿命，而且RESET电流降低为 0.9 μA，对应写功耗降低至~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记录的一半（图1）。（2）具有石墨烯和GNR边界接触电极的不对称结构的相变存储单元的循环寿命及失效机制对电压极性具有很强的依赖性（图2）。（3）在基于GNR边界接触电极的相变存储单元中，GNR不仅作为加热电极也充当半导体沟道，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（图3）。

　　该研究将h-BN/GNR/h-BN异质结构应用于相变存储单元中，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/低电阻比并且展现出良好稳定性和耐用性。同时也为后摩尔时代低功耗存内算术和逻辑单元的开发开辟了新的技术路径。