相变存储器的研究进展
相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述
第49卷第12期人工晶体学报Vol.49No.12 2020年12月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December,2020相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述杜玲玲，周细应，李晓(上海工程技术大学材料工程学院，上海201620)摘要：目前随着人工智能领域的兴起以及人们对数据存储和计算的强烈需求，迫切需要存储器的改进和类似于人脑的高效存储运算效率。
所以，相变存储器及其用于神经形态计算的研究是极具价值的。
相变存储材料(PCMs)受到激发时所产生的电阻值变化可以用来建立尖峰神经网络从而实现模拟神经形态计算系统。
本文介绍了相变存储器物理机制，其中包括相变材料的相变原理及主要性能特征，重点叙述了相变存储器在优化存储与计算方向的研究进展和应用,进而为该领域未来的发展方向提供参考。
关键词:相变存储器;相变材料;神经形态计算系统;相变突触/神经元中图分类号:TP333文献标识码:A文章编号：1000-985X(2020)12-239848Review of Phase Change Memory and Its Application inNeuromorphic ComputationDU Lingling,ZHOU Xiying,LI Xiao(School of Material Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620,China)Abstract：With the rise of artificial intelligence and the explosive demand for data storage and computing,the improvement of memory and the efficient storage and computing efficiency similar to that of human brain are urgently needed.Therefore，it is necessary to study phase change memory and its application in neuromorphic computation.The change of resistance caused by the excitation of phase change materials( PCMs)can be used to build the spike neural network and realize the simulation of neural morphological computing system.This paper introduces the physical mechanism of phase change memory，including the phase change principle and main performance characteristics of phase change materials，and focuses on the research progress and application of phase change memory，so as to provide reference for the future development direction of this field.Key words:phase change memory；phase change material；neuromorphic computing system；phase change synapse/neuron0引言信息时代,人们对数据存储和计算的需求日益增长。
相变存储器及其应用研究进展
相变存储器及其应用研究进展一、引言随着信息技术的快速发展，存储器作为计算机硬件的重要组成部分之一，越来越受到人们的关注。
相变存储器由于其存储密度高和功耗低等优点，成为了摆脱传统存储技术瓶颈的解决方案之一。
本文将从相变存储器技术的特点、应用、发展状况等方面进行讨论。
二、相变存储器的特点与原理相变存储器（Phase-change Memory，PCM）属于非易失性存储器。
相变存储器是利用相变物质（如GeSbTe、GeSbSe等）的物理性质，通过在相变物质中引入热脉冲或电脉冲，使相变物质从一种状态转变为另一种状态来实现存储的过程。
相变存储器的主要特点如下：1. 存储密度高。
相变存储器是一种三维存储结构，可以将多个存储单元集成在一个芯片中，从而实现更高的存储密度。
2. 速度快。
相变存储器读写速度可以达到纳秒级别，比传统的闪存存储器快很多。
3. 功耗低。
相变存储器的读写操作不需要外部电源，只需要少量电能激活相变物质即可，因此功耗非常低。
4. 非易失性。
相变存储器存储的数据具有非易失性，可以长期保存且不需要外部电源维持。
相变存储器的原理是通过在相变物质中施加电流或热脉冲，让相变物质的结构发生相变。
相变物质的电阻率随着结构状态的变化而变化，从而记录了数据。
相变材料的相变状态包括两种，一种是无序状态，另一种是有序状态。
在有序状态下，电阻率低，储存为0；在无序状态下，电阻率高，代表储存为1。
不同相变物质的相变状态转换温度不同。
通过控制施加电流或热脉冲的时间和强度，就可以实现相变存储器的读写操作。
三、相变存储器的应用研究进展相变存储器技术的应用潜力非常大，在计算机硬件领域具有广泛的应用前景。
下面将从相变存储器在计算机存储、人工智能和物联网等方面的应用以及相关技术的发展状况进行讨论。
1. 计算机存储相变存储器的高速读写和高存储密度等特点使其成为新一代计算机存储器的重要组成部分。
相变存储器不但可以替代传统磁盘驱动器、闪存盘等存储设备，还能够贡献于新型高速计算机的处理速度。
相变存储器
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质；
● 1968年，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变 化； ● 1970年，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
1 0
2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。
无机相变信息存储材料研究新进展
中国光学期刊网 ｗ ｗ ｗ ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ １５
Ｌ激光与光电子学进展 ａｓｅｒ ＆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
制 、光／电 存 储 性 能 的 改 进 以 及 新 应 用 等 方 面 的 最 新 研 究成果进行总结。
２ 存储机制： 外场作用下的结构－ 性质变化
ＲＥＶＩＥＷ 综合评述 ｜ 光存储
无机相变信息存储材料研究新进展
Ｎ ｅ ｗ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉｎ Ｉｎ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉｃ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ －Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉａ ｌｓ ｆｏ ｒ Ｉｎ ｆｏ ｒｍ ａ ｔ ｉｏ ｎ Ｓ ｔ ｏ ｒａ ｇ ｅ
２００４ 年 Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｖ．等［８］采用 Ｘ 射线吸收精细结构 （ＸＡＦＳ） 研究 Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５ 相 变 薄 膜 的 结 构 并 推 测 局 部 结 构 如 图 ２， ３ 所 示 。１） ＧＳＴ 结 构 是 扭 曲 的 岩 盐 结 构 ， 原 子电荷的重新排布导致的结构扭曲变换如图 ２ （ａ）箭 头 所 示 。２） 在 非 晶 化 时 Ｇｅ —Ｔｅ 和 Ｓｂ —Ｔｅ 键 的 三 个 弱共价键（细线所示）断裂而三个强共价键（粗线所示） 变 短 变 强 ， 这 一 变 化 是 因 为 Ｇｅ 原 子 从 晶 态 的 八 面 体 对称位置变成了非晶态的四面体的对称位置， 如图 ３ 所 示 。３） Ｇｅ 原 子 局 部 的 伞 状 跳 动 结 构 变 化 是 信 息 记 录介质大的反射率对比度、快速响应和稳定的原因， 图 ３ 是 激 光 晶 化 的 结 构 转 变 示 意 图 。４） 粉 末 衍 射 和 同 步 加 速 辐 射 实 验 研 究 表 明 Ｇｅ 和 Ｓｂ 占 据 的 子 格 位 置 不 是 固 定 的 ， 而 是 位 置 被 Ｇｅ 和 Ｓｂ 随 机 占 据 ， Ｔｅ 原 子 占 据 的 位 置 具 有 面 心 立 方 岩 盐 结 构 的 子 格 ， Ｇｅ 和 Ｓｂ 形 成 别 的 面 心 立 方 子 格 ， 其 余 是 ２０％的 空 位 。 Ｓ． Ｓｈａｍｏｔｏ 等［９］采 用 中 子 散 射 实 验 进 一 步 证 实 Ｇｅ 原 子 在非晶化过程中有大的位移。
新型相变型存储器研究进展
新型相变型存储器研究进展李娟1，王嘉赋1, 21武汉理工大学理学院物理科学与技术系，湖北武汉 (430070)2 材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 (430070)E-mail：wuhan0602@摘要：文章系统地介绍了新型相变存储器的原理及特点、相变材料、写电流、器件稳定性和读取速度等关键性能因素以及器件结构设计和热场分布等。
CRAM的发展空间十分广阔，十分有希望成为最具有市场竞争力的新型存储器之一。
关键词：相变材料；写电流；稳定性；结构设计；热场分布1. 引言相变型半导体存储器指硫系化合物随机存储器(Chalcogenide Random Access Memory)，简称CRAM，又被称作奥弗辛斯基电效应统一存储器，是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电效应的存储器。
CRAM所采用的存储技术是一种新型的非易失性半导体存储技术，即利用相变层发生相变前后阻值的差异来对数据进行存储[1]。
它利用具有可逆结构的硫族化合物作为相变物质，利用热能所激发的相变物质所发生的快速可逆相变来存储数据[2]。
通入写电流后，由于电阻加热器的加热作用，相变层的温度迅速升高，当达到相变薄膜的熔点时，部分材料熔化，失去了晶体状态，这时快速冷却，从而将其锁定在非晶态，非晶态在接近室温时非常稳定，但是当接近融化温度时，它的晶核形成和微晶生长的速度成指数增长。
为了在冷却的时候，不使材料重新结晶，冷却的速度要比晶核形成和生长的速度更快。
为了使存储元件重新回到可导状态，材料要被加热到结晶温度和熔化温度之间，使晶核和微晶生长在几个纳秒内快速发生[3]，从而使材料转变为晶态。
相变前后材料的阻值差可达到4-6个量级。
与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储，制作工艺简单等优点[4-10]。
此外它的最大优势在于：该存储技术与材料带电粒子的状态无关，从而具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。
电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现
电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现近年来，随着存储器技术的不断发展，相变存储器作为一种新型的非易失性存储器，受到了广泛的关注和研究。
相变存储器具备高密度、高速度、低功耗和长寿命等特点，因此在智能手机、计算机等电子产品中有着广泛的应用前景。
而电子级单晶硅片作为相变存储器的芯片载体，对于相变存储器的研究和实现起着至关重要的作用。
本文将深入研究电子级单晶硅片的相变存储器，并探讨其研究与实现的方法与技术。
首先，我们需要了解相变存储器的基本原理。
相变存储器是利用了各向同性相变材料的特性，通过在电流的作用下使相变材料发生相变的属性，来实现存储信息的目的。
而电子级单晶硅片作为相变存储器的基底材料，其优良的热稳定性和电性能使之成为相变存储器的理想载体。
在研究与实现电子级单晶硅片的相变存储器时，首先需要选择合适的相变材料，并制备出单晶硅片。
常用的相变材料有锗锑碲（GST）和锗碲锡（GTS），其热稳定性高、相变速度快的特点使其成为相变存储器的首选。
其次，我们需要对电子级单晶硅片进行制备和加工。
电子级单晶硅片具有较高的纯度和均匀性，可以提供一个良好的基底环境，确保相变存储器的性能和稳定性。
制备电子级单晶硅片的基本工艺包括单晶硅的种植和拉晶、单晶硅片的切割、晶圆的抛光和清洗等步骤。
当制备好电子级单晶硅片后，可以使用光刻技术在单晶硅片表面形成电极和电路结构，为相变存储器的实现奠定基础。
然后，我们需要进行相变存储器的设计和优化。
相变存储器的设计需要考虑到存储容量、数据保持时间、读写速度和功耗等多个方面的要求。
通过优化电极和相变材料的结构，可以提高相变存储器的读写速度和存储容量。
同时，优化电流脉冲的形状和功耗控制策略，可以降低功耗并提高数据保持时间。
此外，还可以通过多层次和交叉叠层的结构设计，提高存储密度和可靠性。
最后，我们需要对电子级单晶硅片的相变存储器进行实现和测试。
实现相变存储器的关键技术之一是相变材料的热控制和相变状态的检测。
用于通用存储和神经形态计算的相变存储器的研究进展
用于通用存储和神经形态计算的相变存储器的研究进展
连晓娟;李甫;付金科;高志瑄;王磊
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】2024(49)1
【摘要】存算一体技术目前被认为是一种可以消除冯·诺依曼计算架构瓶颈的可行性技术。
在众多的存算一体器件中,相变存储器(PCM)因其具有非易失性、可微缩性、高开关速度、低操作电压、循环寿命长以及与现有半导体工艺相兼容等优点,被认为是未来通用存储和神经形态计算器件中最具竞争力的候选者之一。
首先介绍了PCM的工作原理和器件材料结构,并详细讨论了PCM在通用存储和神经形态计算领域的应用。
PCM具有高集成度和低功耗的共性需求,但这两个应用领域对材料性能有不同的侧重点。
详细分析了PCM目前存在的优缺点,如高编程电流导致的功耗问题,以及商业化应用面临的主要挑战。
最后,针对PCM的研究现状提出了一系列改进措施,包括材料选择、器件结构设计、预操作、热损耗降低、3D架构,以及解决阻态漂移等问题,以推动其进一步发展和应用。
【总页数】29页(P1-29)
【作者】连晓娟;李甫;付金科;高志瑄;王磊
【作者单位】南京邮电大学集成电路科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP333;O792
【相关文献】
1.基于相变存储器的相变存储材料的研究进展
2.一种适用于相变存储器锁相环时钟的新型电荷泵
3.用于计算机系统的铁电随机存储器的研究进展
4.Cu对用于高速相变存储器的Sb2Te薄膜的结构及相变的影响研究∗
5.相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述
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相变存储技术的现状和未来发展趋势
相变存储技术的现状和未来发展趋势近年来，数据量不断增长，如何高效、可靠地存储和处理数据成为了重要的问题。
传统的存储介质如硬盘和固态硬盘（SSD）虽然有很好的容量和读写速度，但是其功耗和响应速度还有提升空间。
而相变存储作为一种新型存储技术，具有广阔的发展前景。
相变存储作为一种新兴的非易失性存储器，其工作原理基于相变材料在受到加热或者小电流刺激时发生相变，从而改变其电阻值的特性。
相比于传统的存储器，相变存储器具有快速响应、低功耗、高容量等优势。
在现有的存储技术中，相变存储器不仅仅具有理论上的优势，实际应用也取得了不错的成果。
目前，Intel、IBM、联想等多家公司都开始向相变存储器技术转型。
比如，Intel的Optane储存器采用了3D XPoint技术，可以实现高速读写和超大容量。
未来，相变存储技术还有着广阔的发展前景。
首先是进一步提升可靠性，减少写入次数的限制，以及提高数据安全性。
其次是提高存储密度和容量，进一步降低成本。
最终，相变存储技术将会与计算机视觉、人工智能等技术结合，为人工智能的快速发展提供更加高效的存储手段。
当然，相变存储技术发展也面临着诸多的挑战。
首先，相变材料的稳定性是一个关键因素，需要解决相变材料在长时间存储、极端环境和大量循环读写等情况下的性能问题。
其次，相变存储器的制造成本和生产工艺也需要不断的优化和提升。
总的来说，相变存储技术是一种具有极大潜力的新型存储技术，其快速响应、低功耗、高容量等特点将会为未来的数据存储和处理提供更加高效的解决方案。
同时，相变存储技术也需要不断的进行研究和发展，以满足不断增长的数据需求。
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相变存储器的研究进展
随着科技的不断进步和人类对于信息存储的需求不断增加，电子存储器也在不断地进行升级。
其中，相变存储器是一个备受关注的领域，它具有着存储密度高、速度快、可擦写等优点，有望成为未来存储技术发展的重要方向。
本文将对相变存储器的研究进展进行探讨。
相变存储器的工作原理
相变存储器利用了物理上的相变过程，实现对信息的存储。
相变存储器中的存储单元由一定数量的材料组成，这些材料能够在经过电场或者光照的作用下，进行相变。
相变过程中，材料的特性会发生较大的变化，并且相变过程具有较高的可逆性。
因此，在相变存储器中，不同相态的状态可以被用作信息的存储。
具体来说，相变存储器中的存储单元可以缩小到10纳米级别，这意味着它可以在物理尺寸和存储密度之间取得相对的平衡。
相变存储器中的存储单元具有较快的读写速度，一般在纳秒级别，因此相比于传统的存储器，相变存储器更适合于高速读写任务。
同时，相变存储器的寿命较长，其存储信息的可靠性也较高。
研究进展和挑战
随着相变存储器的研究深入，相关的研究成果也层出不穷。
在新材料的发掘方面，研究人员不断地寻找新的相变材料和更好的电子材料，以提高相变存储器的性能。
同时，在相变存储器的制造和优化方面，也有很多新的进展。
例如，近年来在相变存储器中引入其他功能元素，如变压器和电容器等，可以更好的实现其具有的存储、计算与通讯等多种功能。
同时，研究人员也在探讨如何通过控制相变体系和局部结构调控材料特性，从而达到更好的导电性和抗微观缺陷的性能。
但是，相变存储器的发展仍存在一些挑战。
其中最主要的问题是其可靠性和功耗问题。
由于相变材料内部的结构会随着电流密度的提高而受到破坏，所以相变存储器的可靠性一直是一个重要的问题。
同时，相变存储器的功耗问题也不容忽视。
这主要是因为相变存储器需要较高的电流密度来实现相变，因此其功耗较高。
未来展望与结论
相比于传统存储器，相变存储器具有更高的存储密度、更快的读写速度和更好的可擦写性，而这些也正是当前高密度信息存储所需的。
因此，相变存储器有望在短时间内成为存储技术的重要发展方向。
但是，相变存储器仍面临着可靠性和功耗等问题，这些问题需要充分重视。
总的来说，相变存储器的未来发展前景非常广阔，其研究与应用也将成为大家继续追求的领域。