當今數(shù)據(jù)生產(chǎn)呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算架構已成為未來繼續(xù)提升計算系統(tǒng)性能的主要技術障礙。相變隨機存取存儲器 (PCRAM)可以結合存儲和計算功能，是一條突破馮·諾依曼計算構架瓶頸的理想路徑選擇。它具有非易失性、編程速度快和循環(huán)壽命長等優(yōu)點。然而，PCRAM中相變材料與加熱電極之間的接觸面積較大，造成相變存儲器操作功耗較高，如何進一步降低功耗成為相變存儲器未來發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一。縮小加熱電極尺寸是降低功耗的關鍵。
石墨烯納米帶（GNR）是一種準一維的石墨烯納米結構，其具有超高載流能力（＞109 A/cm2），且熱穩(wěn)定性高，可以用作相變存儲器的加熱電極。
中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所宋志棠研究員與王浩敏研究員組成聯(lián)合研究團隊首次采用GNR邊緣接觸制備出世界上最小尺寸的相變存儲單元器件。研究成果以“通過石墨烯納米帶邊界接觸實現(xiàn)相變存儲器編程功耗最小化（Minimizing the programming power of phase change memory by using graphene nanoribbon edge-contact）”為題，2022年7月18日在線發(fā)表于《先進科學》（Advanced Science）期刊。
聯(lián)合研究團隊采用石墨烯邊界作為刀片電極來接觸相變材料，可以實現(xiàn)萬次以上的循環(huán)壽命。當GNR寬度降低至3 nm，其橫截面積為1 nm2，RESET電流降低為 0.9 μA，寫入能耗低至 ~53.7 fJ。該功耗比目前最先進制程制備的單元器件低近兩個數(shù)量級，幾乎是由碳納米管裂縫（CNT-gap）保持的原最小功耗世界記錄的一半。與此同時，GNR不僅作為加熱電極還充當半導體溝道材料，可在2.5 MHz 的時鐘頻率下實現(xiàn) D 型觸發(fā)器的時序邏輯功能。
這是國際上首次采用GNR邊緣接觸實現(xiàn)極限尺寸的高性能相變存儲單元，器件尺寸接近相變存儲技術的縮放極限，實現(xiàn)了超低功耗、高編程速度、出色的高/低電阻比并且展現(xiàn)出良好穩(wěn)定性/耐用性。該新型相變存儲單元的成功研制代表了 PCRAM 在低功耗下執(zhí)行邏輯運算的巨大進步，為未來內(nèi)存計算開辟了新的技術路徑。
中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所宋三年研究員和王秀君博士為論文共同第一作者，王浩敏研究員和宋志棠研究員為共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部國家重點研發(fā)計劃，中國科學院先導項目、上海市科委等的項目資助。
圖1. 采用GNR邊緣接觸制備出世界上最小尺寸的相變存儲單元器件（a）相變存儲單元結構示意圖；（b）功耗與接觸面積的關系。
圖2. 器件循環(huán)壽命的偏壓極性依賴性。（a）測量設置示意圖；（b）~3 nm 寬 GNR 邊界電極相變存儲單元在不同電壓極性下的循環(huán)壽命。
圖3. 基于3nm寬GNR邊界電極的D型觸發(fā)器邏輯功能演示。(a) D型觸發(fā)器結構示意圖；（b）器件處于高/低阻態(tài)下的轉移特性曲線；(c) 器件循環(huán)特性；(d) 基于GNR邊界接觸的相變存儲單元演示D型觸發(fā)器的邏輯時序。
