科技进展

上海微系统研制出自主高性能硫基OTS选通管

  

  近日,中国科学院上海微系统所宋志棠研究员、朱敏副研究员与清华大学、日本群马大学、中科院微电子所等单位合作,在国际上首次研制出高性能硫基OTS选通管,并揭示了其基于缺陷态的非线性开关机理。研究结果以“Ultrahigh Drive Current and Large Selectivity in GeS Selector”为题于2020915日发表在Nature Communications (2020, 11, 4636) 期刊上。 

  芯片是信息系统的核心,是国家基础性、先导性和战略性产业,是国家信息安全保证。存储芯片是集成电路三大芯片之一,占集成电路市场的~30%。研发具有自主知识产权的高性能海量存储技术将推动我国信息产业快速发展,产生巨大的经济效益。作为最先进的下一代存储技术之一,国内相变存储器PCRAM已经量产,但是芯片的容量在Mb量级,交叉高密度存储阵列是国产PCRAM的必然发展趋势。OTS选通管是高密度PCRAM另一核心元器件,用于解决交叉存储阵列的串扰问题。寻找环境友好型、高性能OTS材料一直是学术界与工业界研究的重点和难点。 

  研究团队去年已成功利用三维原子探针与电镜联动技术,实现了高密度相变存储材料的纳米尺度均一性 [Nature Communications, 2019, 10, 3525;通讯作者 朱敏/宋志棠]。在本工作中,研究团队突破传统硒基/碲基OTS选通管材料,研制出基于硫基OTS器件,获得了驱动电流大≥34 MA/cm2 电流密度)、开关速度快10ns/100 ns以及长寿命>108等优异性能(见图1)。同时,发现了高浓度缺陷态引发的费米能级钉扎效应是OTS开关的关键,并结合理论计算,阐明了缺陷态的微观结构根源,建立了性能-缺陷态-微观结构三者的关系(见图2)。这为OTS选通管性能的优化以及最终实现OTS材料的设计提供了理论基础。审稿人高度评价道:“The work is interesting for the community”It is considered to be an important paper that can be applied to a future selector device” 

  中科院上海微系统所为该工作第一完成单位。上海微系统所、微电子所联培生贾淑静与清华大学李黄龙为第一作者。上海微系统所朱敏、宋志棠和微电子所刘琦为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、中科院先导B、中科院人才计划以及上海浦江人才计划等项目的支持。 

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18382-z 

  1 自主高驱动力硫基OTS器件性能:a)器件结构,b)多次I-V性能,c)性能随尺寸以及厚度变化规律,d)开关速度,e)器件寿命,f) 与其它选通器件的性能对比。 

  2 硫基OTS器件能带结构与开关机理:a)缺陷态的位置,b)定量能带结构,c)、d)分别为关状态下的缺陷态结构和能带结构,e)、f)分别为开状态下的缺陷态结构和能带结构。