超晶格结构Sb-SbSe2 中亚稳相调控实现低功耗相变存储与电阻漂移抑制

针对相变存储器(PCRAM)的高功耗与电阻漂移问题，研究人员通过设计Sb-SbSe2 超晶格结构(SLL)，系统研究了亚稳相SbSe的形成机制。实验表明该结构可将RESET能耗降至5.1×10?13 J，电阻漂移系数抑制至≤0.05，为新一代低功耗高稳定性存储器提供了新思路。

　　

随着人工智能和云计算技术的爆发式增长，传统存储架构面临的"内存墙"问题日益突出——处理器与存储器之间的速度不匹配严重制约了计算效率。神经形态计算虽能缓解这一瓶颈，但现有系统多依赖易失性存储元件，断电后信息丢失的缺陷限制了实际应用。更棘手的是，突触元件的大尺寸特征导致功耗激增、集成密度受限。在众多解决方案中，相变随机存储器(PCRAM)因其纳秒级切换速度、非易失性(Non-volatile)特性以及与CMOS工艺的兼容性脱颖而出，被视为突破存储瓶颈的关键技术。

PCRAM的核心在于相变材料(PCMs)在非晶态(高阻)与晶态(低阻)之间的可逆转变。SET操作通过长时低功率脉冲诱导结晶，RESET操作则利用短时高能脉冲实现熔融淬灭。这种双稳态特性不仅适用于二进制存储，还能通过脉冲序列调控模拟突触可塑性。然而，固有电阻漂移(Resistance drift)和高操作能耗仍是阻碍其发展的两大障碍。

针对这些挑战，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队在《Applied Surface Science》发表重要成果。他们创新性地设计了Sb-SbSe₂
超晶格结构(SLL)，通过精确调控亚稳相SbSe的形成，实现了RESET能耗5.1×10^?13
J的超低功耗和≤0.05的电阻漂移系数。这一突破为开发高性能PCRAM器件提供了全新路径。

研究采用磁控溅射技术在Si/SiO₂
基底上交替沉积Sb和SbSe₂
薄膜，构建[S(X nm)-SS(Y nm)]_n
超晶格结构。通过温度依赖电阻测试(R-T)、X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)系统表征相变行为，结合密度泛函理论(DFT)计算分析界面相互作用。

材料与方法
研究团队通过室温磁控溅射制备不同周期数的[Sb(2 nm)-SbSe₂
(10 nm)]₄
和[Sb(2 nm)-SbSe₂
(20 nm)]₂
超晶格薄膜，总厚度控制在50 nm。采用10°C/min升温速率进行R-T测试，结合同步辐射X射线吸收精细结构(EXAFS)解析原子配位环境。

结果与讨论
R-T曲线显示[Sb(2 nm)-SbSe₂
(10 nm)]₄
的结晶温度(T_c
)高达197°C，表明优异的热稳定性。EXAFS证实界面处形成亚稳相SbSe，其与SbSe₂
相似的电子结构有效抑制了缺陷产生。器件测试显示5 ns脉冲即可实现SET/RESET切换，比传统Ge₂
Sb₂
Te₅
(GST)材料快3倍。

结论
该研究揭示了超晶格界面诱导亚稳相形成的新机制：单层Sb的"爆炸式结晶"特性加速相变动力学，而Se-rich的SbSe₂
层通过强Sb-Se键稳定界面。这种协同效应使RESET能耗降低至GST材料的1/8，电阻漂移系数较传统PCMs下降80%。

这项工作的科学价值在于：首次证实SbSe亚稳相可同时优化功耗和稳定性；提出的超晶格设计准则为开发神经形态计算专用PCMs提供理论指导；发展的低温制备工艺兼容半导体生产线。未来通过调控Sb/Se比例和界面密度，有望进一步突破PCRAM的性能极限。