相變儲存PCM利用硫族相變材料非晶相和晶體相之間快速且可逆的相變能力以及兩相之間巨大的電阻差異實現快速且穩定的資料儲存。

目前，英特爾、美光等半導體公司基於鍺銻碲合金Ge2Sb2Te5研發的相變儲存器3DXpoint已經作為獨立式儲存類記憶體SCM進入全球儲存器市場。此外，相變儲存亦在嵌入式儲存應用，如汽車工業、微控制單元、物聯網等方面有著廣闊的市場前景。面向嵌入式應用，器件穩定性需要經過260℃數分鐘的高溫退火考驗，而傳統鍺銻碲合金的結晶化溫度僅為150℃。近期，意法半導體公司透過調控鍺銻碲合金成分可大幅提升結晶化溫度，並證實富鍺合金相變儲存器件可用於汽車微控制晶片的大規模整合，但同時該公司亦指出過量的鍺元素極易引發相分離，進而導致器件失效。因此，如何有效提升鍺銻碲合金非晶穩定性，但同時避免相分離是該方向亟待解決的問題。

圖1：鍺銻碲非晶穩定性與相分離趨勢研究

近日，西安交通大學CAID材料創新設計中心張偉教授團隊在npj Computational Materials 上發表題為“Ab initio molecular dynamics and materials design for embedded phase-change memory”的研究論文。該工作利用第一性原理分子動力學方法模擬了十餘種不同成分比例鍺銻碲合金的非晶結構，全面分析了非晶鍺銻碲的區域性原子構型、化學成鍵機制以及中程有序結構，結合“原子位置重疊”SOAP方法定量化表徵了鍺銻碲合金與單質鍺的非晶相似度，並類比於合金形成能的概念，計算了非晶鍺銻碲的相分離趨勢（如圖1所示）。結果表明，偏離經典GeTe-Sb2Te3二元平衡線，過量鍺可大幅提升鍺銻碲合金與單質鍺的非晶結相似性，從而增強非晶鍺銻碲的熱穩定性。但鍺含量超過55%，接近Ge4Sb1Te2時，非晶鍺銻碲的結合機制發生根本性轉變，導致相分離形成單質鍺與傳統鍺銻碲合金的趨勢大幅提升。因此，本工作提出一個合理的合金成分選擇範圍，如鍺銻碲三元圖中綠色虛線所示。基於該範圍內的鍺銻碲合金，可透過少量碳氮摻雜或微縮器件尺寸引入奈米尺寸效應進一步提升富鍺合金的非晶熱穩定性，從而滿足嵌入式相變儲存晶片在儲存穩定性與迴圈工作壽命上的需求。

此前，張偉教授等人在Nature Review Materials 上發表了題為“Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing”的長篇綜述論文，從相變儲存材料的材料學基礎出發，詳細討論了相變材料的結晶化與非晶化機理，闡明瞭其在資料儲存、通用儲存、類腦神經元計算以及人工智慧硬體發展方面的核心作用，指出了相變儲存晶片工業化過程中尚需解決的材料科學問題，並提供了一些材料設計與最佳化的方案。

圖2：基於相變材料的通用儲存技術

Ab initio molecular dynamics and materials design for embedded phase-change memory

DOI:10.1038/s41524-021-00496-7

Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing

DOI:10.1038/s41578-018-0076-x

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