如前文所述，cbPCM的擦寫能耗可以達到達到極低的幾十個fJ，對于典型的PCM設備每次擦寫操作需要幾十個pJ到幾十個nJ，cbPCM的能耗降低到了典型PCM的千分之一級別。在此工作之前，全世界功耗最低的相變存儲器是由碳納米線實現的，其擦寫能耗約為100fJ，通過使用自對準的GST納米線和CNT電極，能耗可以進一步降低到約80fJ，然而這種碳納米線工藝要實現大規(guī)模半導體制造還需要很長的時間。下圖中展示了典型PCM設備中擦寫能量值與電極接觸面積的關系（虛線所示），可以看到基于GSO的設備具有超低編程能耗，在正常尺寸下功耗遠低于典型PCM設備，打破了之前所有設備建立的功耗與電極接觸面積的比例關系。因此，cbPCM的功耗和制備難度方面相比于典型PCM和碳納米線器件都具有很大的優(yōu)勢。
本工作利用精心設計的GSO合金成功設計和制造了納米級導電橋PCM器件，打破了能量大小的直接尺度相關性，達到了相變存儲單元的低編程能量。該合金與目前的半導體生產線兼容，并可以實現一次性濺射，確保簡單和低成本的生產。此外，該相變材料也在未來表現出更多的用途，例如基于GSO的單元也可以呈現多級電阻能力，可以通過更強的重置脈沖來增加或斷開更多的連接橋，或使用更長的SET脈沖來結晶更大比例的非均勻網絡，這種編程模式帶來的波動和可變性可以應用在對隨機相變神經突觸的模擬，在生物神經網絡中的信號編碼和傳輸中起著關鍵作用。隨著GSO單元接近生物神經電脈沖的功耗，該cbPCM器件的性能將優(yōu)于傳統(tǒng)的基于GST的PCM器件。
該成果以“Designing Conductive-Bridge Phase-Change Memory to Enable Ultralow Programming Power”為題發(fā)表在《AdvancedScience》上。論文的第一作者為楊哲博士、王疆靖博士、李博文。通訊作者為徐明教授、繆向水教授、張偉教授和馬恩教授。該研究是在國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和國家02專項的資助下開展的，材料的實驗表征受到了中科院上海微系統(tǒng)所朱敏研究員的傾力相助。
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【來源：華中科技大學集成電路學院】
