新型相变存储器耗能更少的秘诀：塑料制造

2021-09-12 14:00:27 来源: 半导体行业观察

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来源：本文内容来自【IEEE】，谢谢。

为了让粘贴式显示器、智能绷带和廉价的柔性塑料传感器真正起飞，它们需要某种可以建立在塑料上的长期存储数据的方法。“在柔性电子产品的生态系统中，拥有内存选项非常重要，”斯坦福电气工程教授 Eric Pop 说。

但是现在的非易失性存储器的版本，如闪存，并不适合。因此，当 Pop 和他的工程师团队决定尝试将一种相变存储器应用于塑料时，他们认为这将是一个漫长的过程。他们想出了一个惊喜——一种实际上更好用的记忆，因为它是建立在塑料上的。这类设备的关键特性是重置内存所需的能量，比以前的柔性版本低一个数量级。他们在本周的《科学》杂志上报道了他们的发现。

相变存储器 (PCM) 并不是塑料电子产品的明显优势。它将其位存储为电阻状态。在其结晶相中，它具有低电阻。但是通过设备运行足够的电流会使晶体熔化，然后使其冻结在电阻更大的非晶相中。该过程是可逆的。重要的是，特别是对于实验性的神经形态系统，PCM可以储存中间水平的抗性。所以一个设备可以存储不止一位的数据。

不幸的是，通常使用的材料在像塑料这样的柔性基材上不能很好地工作。问题是“编程电流密度”:基本上，你需要泵入多少电流通过一个给定的区域，以加热到发生相变的温度?可弯曲塑料的不平整表面意味着使用普通材料的PCM电池不能像硅电池那样小，需要更多的电流来达到相同的开关温度。

你可以把它想象成试图在门开着的烤箱里烤馅饼。它会起作用，但需要更多的时间和精力。波普和他的同事正在寻找关闭烤箱门的方法。

他们决定尝试一种叫做超晶格的材料，这种材料是由不同材料的纳米厚的重复层组成的晶体。2011年，日本筑波国家应用产业科学与技术研究所的Junji Tominaga和研究人员报告了由锗、锑和碲组成的超晶格有希望的结果。通过研究这些超晶格，Pop和他的同事得出结论，它们应该是非常隔热的，因为在其晶体形式中，层与层之间存在原子级的间隙。这些“范德瓦尔斯式间隙”既限制了电流的流动，更重要的是，也限制了热量的流动。所以当电流被迫通过时，热量不会很快从超晶格中流失，这意味着从一相转换到另一相需要更少的能量。

电流被氧化铝的孔状结构限制在超晶格中。这使得加热效率更高，因此内存可以使用更少的能量切换状态。AI KHAN 和 A. DAUS

但是超晶格的工作并不是轻而易举的。“我们几年前就开始做了，但我们真的很挣扎，几乎放弃了，”Pop说。波普解释说，如果范德华间隙相互平行，层与层之间没有主要的混合，超晶格就能工作。但所涉及的材料沉积设备的特性意味着，“仅仅因为他们在日本发布了参数，并不意味着你可以在帕洛阿尔托的工具中使用它们。”

与 Pop 合作的博士生 Asir Intisar Khan 不得不通过反复试验的过程，其中涉及 100 多次尝试产生具有正确范德瓦尔斯间隙的超晶格。

由碲化锑和碲化锗交替层形成的超晶格结构。层与层之间形成范德瓦尔斯式的间隙，限制了电流和热量的流动。K. YAMAMOTO 和 AI KHAN

研究人员通过将电流限制在一个600纳米宽的孔状结构中来保持存储设备中的热量，该结构被绝缘的氧化铝包围。最后一层绝缘层是塑料本身，它比PCM通常建立在其上的硅更好地抵抗热量流动。完成的器件的电流密度约为0.1兆安培每平方厘米，大约比传统的硅PCM低两个数量级，比以前的柔性器件好一个数量级。此外，它还表现出四稳定的电阻状态。所以它可以在一个设备中存储多个数据位。

在塑料上建造设备实际上会改善情况，这并不是团队所计划的。拥有柔性电子专业知识的实验室博士后研究员Alwin Daus说，该团队假设，超晶格和衬底之间的氮化钛电极将限制热损失，因此衬底不会影响存储操作。但后来的模拟证实，热渗透到塑料衬底，塑料衬底的导热系数比硅衬底低。

Khan说，本周报告的工作证明了在柔性表面上低功率存储的概念。但隔热的重要性也适用于硅器件。该团队希望通过进一步缩小孔径和使设备两侧更加绝缘来改进该设备。模拟已经表明，将氧化铝壁加厚可以减少达到开关温度所需的电流。研究人员还将研究其他可能具有更好性能的超晶格结构。

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