相变超晶格结构在新型超低功耗电子器件应用中的基础物理问题理论研究

In the era of Internet Plus, high density and ultralow power data storage is highly demanded. Phase change materials have been widely used in industrialized memory technologies. Recently, the discovery of a novel phase change superlattice structure which operates under a new resistive switching mechanism has opened the possibility for ultralow power phase change memories. This phase change superlattice structure also has the potential to be used in novel magnetoelectric memories and topological insulating spintronic devices. Its significant industrial value for data storage and even the whole semiconductor electronics is self-evident. However, the understanding of the fundamental physics of phase change superlattice relevant to the above mentioned important electronic applications is very limited that even its basic atomic structure is still highly debated, let alone the resistive switching mechanism, physics of its ferromagnetic and topological insulating properties. Phase change superlattice can hardly move from the drawing board to the market if these fundamental problems remain unsolved..This proposed project aims to solve the fundamental physical problems of phase change superlattice for nonconventional ultralow power electronic devices by theoretical study, including its stable atomic structure, resistive switching mechanism, physics of its ferromagnetic and topological insulating properties. The success of this project is very likely to promote the application of phase change superlattice in new electronic devices and advance the research in superlattice like functional materials.

“互联网+”时代对高密度、超低功耗的新型数据存储方式提出了迫切需求。相变材料是一种广泛应用在存储技术中的材料。最近，一种利用了全新阻变机理的新型相变超晶格结构的出现使得超低功耗相变存储成为可能。这种结构还具备实现新型磁电存储器和拓扑绝缘自旋电子器件的可能性，其在数据存储乃至整个半导体行业的重要价值不言而喻。然而，对上述几种潜在重要应用相关的相变超晶格物理性质的认识仍然十分缺乏，甚至对其原子结构也没有达成共识，更不用说对其阻变机理、铁磁性机理、拓扑绝缘性机理的认识了。在没有明确解答这些问题之前，相变超晶格结构仍不可能从实验室走向市场。.本项目针对相变超晶格结构在新型超低功耗电子器件应用中的基础物理问题展开系统的理论研究，拟解决相变超晶格稳定原子结构、阻变机理、铁磁性机理和拓扑绝缘性机理等几个重要问题。本项目的成功有望快速推动相变超晶格结构在新型电子器件中的应用，推广超晶格功能材料结构的研究。

非易失存储技术是重要的低功耗存储技术，英特尔和镁光于2015年将锗硫系相变非易失存储技术首次商用。存储单元和选通单元是非易失存储技术中的两种关键元器件。. 基于相变块材的非易失存储单元虽然静态功耗低，但在数据擦写的动态过程依然产生较大能耗，这与块体熔融相变机制有关。基于相变超晶格结构的非易失存储器是一种更新型的存储器，它兼备较低的动态和静态功耗。2008年和2011年，新加坡和日本研究团队相继提出相变超晶格的概念，并由日本团队首次揭示其低动态功耗的特性。此后，针对相变超晶格结构的阻变机理模型层出不穷，但互相矛盾或与实验上其它现象相违背。机制不清在一定程度上制约了这一技术的发展。与此同时，有关选通单元的研究滞后于存储单元很多，所以在材料机理和材料选择判据方面仍有很大的研究空白。. 针对这些挑战，这项研究开展了对相变超晶格结构阻变过程的原子尺度仿真。我们研究了相变超晶格结构与窄带隙碲、锑单晶的界面原子和电子结构，并发现碲、锑单晶与相变超晶格结构能形成锐利界面，且自发形成对碲、锑单晶的电子掺杂，进一步提高了其导电性。我们提出了基于碲、锑本征局域导电通道的相变超晶格阻变模型【Microelectron. Eng. 2019】。. 我们将上面提出的导电通道阻变模型推广，用于解释近期在选通单元中发现的局域阻变现象。为了进一步明确其原子尺度机理，我们研究了锗和硒导电通道与选通材料之间的界面原子和电子结构，并发现它们之间能够形成较低的肖特基势垒，焦耳热容易将电子从导电通道中激发到外周选通材料里，进一步促进导电通道的生成 【J. Appl. Phys. 2020】。. 进一步的，我们通过分子动力学仿真“原位”地研究了导电通道结构的发生，揭示了局域的锗—锗链状缺陷结构在阻变过程中的起到的关键作用。我们还通过揭示材料“构-效”关系，为选通材料的选择提供了一张有指导意义的材料“藏宝图”，并成功指导实验开发出新的选通材料，实现破前世界纪录的优异性能指标【Sci. Rep. 2019；Nat. Commun. 2020】。. 在上述锗—锗链状缺陷结构的启发下，我们还通过原子级的反向设计，揭示了锗—锗链状缺陷在实现非晶相变材料的高阻特性中的关键作用 【Appl. Phys. Lett. 2020】。