柔性器件最新Science

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研究背景

许多用于物联网 (IoT) 的新兴柔性电子产品可能会彻底改变个性化医疗保健和全球供应链，特别是如果它们可以依赖于更容易与各种形状因素和表面集成的柔性基板。然而，由于薄硅的弯曲性有限、复杂的转移工艺以及低热导率基板上的潜在热挑战，将传统的硅基存储器集成到柔性电子设备中是很困难的。作为替代方案，可以直接在柔性基板上制造存储器件，只要这可以在足够低的温度下完成（通常低于 250°C）。相变存储器 (PCM) 是柔性电子产品中数据存储的一种很有前途的候选途径，但其高开关电流和功率是无法忽略的缺点。

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研究问题

在这项研究中，本文展示了柔性超晶格 PCM 中每平方厘米 ~0.1 兆安培的开关电流密度，该值比柔性或硅基板上的传统 PCM 低一到两个数量级。这种降低的开关电流密度是通过超晶格材料中的热限制实现的，并辅以孔型器件和热绝缘柔性基板中的电流限制。本文的设备还显示出具有低电阻漂移的多级操作特性。在反复弯曲和循环之前、期间和之后都保持了低开关电流和良好的电阻开/关比。这些结果为柔性电子产品的低功耗存储器铺平了道路，也为传统硅基板上的 PCM 优化提供了关键见解。 

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图文解析

▲图 1. 具有柔性超晶格的PCM。

要点：

● 本文的 PCM 器件是直接在柔性聚酰亚胺 (PI) 基板上制造的（图 1A），过程总没有任何层转移，最高工艺温度为 200°C。沉积过程中，~600 纳米直径的孔状器件在 TiN 底部触点上被 ~35 纳米的 Al2O3（图 1B）包围。

● 本文使用高分辨率扫描透射电子显微镜 (STEM) 对硅衬底上的超晶格横截面进行成像，沉积条件与柔性 PCM 相同（图 1C）。STEM 样品制备对于弱的、电绝缘和热绝缘的聚合物来说很困难，在聚焦离子束铣削过程中可能会翘曲。STEM 成像显示 Sb2Te3 和 GexSbyTez 层，揭示了一些已知在沉积动力学过程中发生的界面重构现象，同时保留清晰且平行的范德华式（vdW-like）间隙。

● 图 1D 中的 X 射线衍射 (XRD) 数据显示来自用于 STEM 横截面的相同超晶格薄膜的尖锐多晶峰。显然， (00l) 面外 XRD 峰对应于平行于基板的高度取向层。一些 Sb2Te3 峰的小幅增宽和移动以及GexSbyTez峰的存在与 Ge 原子部分扩散到 Sb2Te3 中是一致的。

▲图 2. 缩放、功率和多级测量。

要点：

● 本文发现重置电流随孔单元面积（从~600 纳米到~800 纳米直径；图 2A）是成比例的，表明本文技术是可扩展的，并得到额外基准测试的进一步支持。本文的设备还表现出相当低的周期间变化（图 2B）。

● 本文还计算了电阻与功率的关系（图 2C），根据 R 与 I（图 2B）和 R 与电压（V）进行估计。进一步注意到 >450 个循环的低循环到循环变化。峰值复位功率约为 0.8 mW；这可以通过更小的单元直径进一步减少，但会受到光刻工艺的限制。由于本文的复位脉冲较短，约为 60 ns，因此 ~48 pJ的复位能量比使用丝状底部触点的其他器件低近一个数量级。本文的复位功率比早期的非丝状柔性 PCM 低两个数量级。

● 本文还探索了柔性超晶格 PCM 的多级能力和电阻漂移，并且展示了四种稳定电阻状态（图 2D）。该图还揭示了低电阻漂移系数（v ~ 0.002 至 0.008），这比具有明显可区分电阻状态的传统 PCM低一个数量级以上。

▲图 3. 弯曲前后的表征。

要点：

● 本文在 4 毫米的拉伸弯曲半径下测量了本文的柔性 PCM（图 3A）。这些器件在平坦时在 103 个周期内保持了电阻开/关比 >10，然后在弯曲时保持了 102 个周期（图 3B）。在平坦和弯曲条件下的 R vs. I 测量（图 1F）表明在弯曲时保持低 Ireset，电阻开/关比接近 100。此外，还测量了本文的 PCM 设备的弯曲循环性（图3C)。本文在几次弯曲循环后读取它们的直流电阻，并连续 300 秒测量电阻状态，每个电阻读数之间有 30 秒的间隔。这些结果表明，在弯曲前和 100 次弯曲循环后，高电阻和低电阻状态均保持低漂移。

● 值得注意的是，即使在 200 次弯曲循环后，该结构仍能保持低开关电流（图 3D）。本文的设备在弯曲过程中的稳健性可归因于 5 um的 PI 厚度，即使在 4 mm弯曲半径下，这也会导致约 0.06% 的小应变 。

▲图 4. 电热模拟。

要点：

● 为了更深入地了解热限制在孔隙装置中的作用，本文进行了电热模拟 （图4）。由于众多界面、跨超晶格的更高电阻率、孔几何中的横向焦耳热限制以及热阻 PI 衬底，这些因素都会对热限制产生的影响（图 4）。相比之下，PI 上的孔型 Ge2Sb2Te5 器件的温度分布显示出比超晶格 PCM 器件（~966 K）更少的热限制和更低的峰值温度（~368 K）。该模拟进一步证实了由具有许多类似 vdW-like 的界面的超晶格材料提供的电热限制的功能。

● 本文还模拟了具有不同 Al2O3 侧壁厚度的器件，发现随着Al2O3厚度的增加，热量更集中在有源 PCM 单元区域。因此，相变所需的峰值温度可以通过较低的电流脉冲来实现（图 4，A 到 G）。

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小结

总之，本文开发了一种灵活的超晶格存储器，其开关电流密度 (~0.1 MA/cm2) 远低于所有其他 PCM 类型，并且相对于其他灵活 PCM 而言，复位能量和功率非常低。这些特性是通过在超低热导率衬底上的孔型器件内的超晶格材料中进行热限制而实现的。灵活的 PCM 设备显示出具有低电阻漂移的多级能力，预示着新兴的内存计算应用的前景。这些结果引领了柔性物联网电子产品中的数据存储，也为商用刚性硅基板上传统 PCM 的热工程提供了参考。