上海微系统所使用石墨烯纳米带研制出世界上最小尺寸的相变存储单元

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选择。它具有非易失性、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。缩小加热电极尺寸是降低功耗的关键。Ww5ednc

石墨烯纳米带（GNR）是一种准一维的石墨烯纳米结构，其具有超高载流能力（＞109 A/cm2），且热稳定性高，可以用作相变存储器的加热电极。Ww5ednc

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员与王浩敏研究员组成联合研究团队首次采用GNR边缘接触制备出世界上最小尺寸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，2022年7月18日在线发表于《先进科学》（Advanced Science）期刊。Ww5ednc

联合研究团队采用石墨烯边界作为刀片电极来接触相变材料，可以实现万次以上的循环寿命。当GNR宽度降低至3 nm，其横截面积为1 nm2，RESET电流降低为 0.9 μA，写入能耗低至 ~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。与此同时，GNR不仅作为加热电极还充当半导体沟道材料，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。Ww5ednc

这是国际上首次采用GNR边缘接触实现极限尺寸的高性能相变存储单元，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/耐用性。该新型相变存储单元的成功研制代表了 PCRAM 在低功耗下执行逻辑运算的巨大进步，为未来内存计算开辟了新的技术路径。Ww5ednc

中科院上海微系统与信息技术研究所宋三年研究员和王秀君博士为论文共同第一作者，王浩敏研究员和宋志棠研究员为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科技部国家重点研发计划，中国科学院先导项目、上海市科委等的项目资助。Ww5ednc

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图1. 采用GNR边缘接触制备出世界上最小尺寸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。Ww5ednc

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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。Ww5ednc

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图3. 基于3nm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。Ww5ednc

论文链接：Minimizing the Programming Power of Phase Change Memory by Using Graphene Nanoribbon Edge-ContactWw5ednc