中科院上海微系统与信息技术研究所研制出具有极限操作速度的相变存储器

当今，电脑系统采用层次化存储架构：缓存、内存和闪存。离CPU越近，对存储器存储速度需求越高，如内存的速度为纳秒级别，而缓存则需要皮秒级别。作为下一代存储器的有力竞争者，相变存储器的速度决定了其应用领域，而相变存储器速度主要由相变材料的结晶速度（写速度）所决定。研究表明，相变存储器的热稳定性越差，结晶速度越快，而单质锑（Sb）是目前已知热稳定性最差的相变材料，可能具有最快的操作速度。

中科院上海微系统与信息技术研究所宋志棠和朱敏研究团队首先通过分子动力学计算，发现单质锑能够在120 ps内从非晶结构中成核并进一步完全结晶。通过制备200 nm、120 nm和60 nm T型下电级器件的单质锑相变存储器件，发现随着器件尺寸减小，单质锑相变存储器的速度越快。200 nm 单质锑器件最快的写速度为359 ps（见图1），当器件尺寸微缩至60 nm时，写速度为~242 ps, 比传统Ge2Sb2Te5的快近100倍（20 ns）。通过与已报道的相变存储器的速度对比（见图2），单质Sb器件的速度明显快于传统Sb-Te、Ge-Te以及 Ge-Sb-Te基相变存储器，其~242 ps的操作速度是目前相变存储器速度的极限。此结果表明，通过选择合适的相变材料，相变存储器具备替代内存甚至缓存的巨大潜力。

该工作在2023年1月31号以题为“Toward the Speed Limit of Phase Change Memory”发表在Advanced Materials上（10.1002/adma.202208065）。我所博士毕业生沈佳斌为第一作者（现为复旦博士后），上海微系统所朱敏研究员、宋志棠研究员和复旦大学周鹏教授为通讯作者，中科院上海微系统所为第一完成单位和通信单位。该工作得到中科院先导B（XDB44010200）、国家自然基金（61904046）、中科院人才计划以及上海科技启明星（21QA1410800）等项目的支持。

图1 不同尺寸单质锑相变存储器的（A）器件结构和（B）写操作速度。

图2单质锑相变存储器操作速度与已报道相变存储器件的对比。