锡的大作用:创造性价比更高的存储器

材料科技在线2019-03-14 15:44:14

由于锡在易拉罐中的广泛使用而被人们所熟知,而这有助于提高世界的数据需求。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(ANL)的科学家团队正在研究如何用锡作硅的友好材料,以帮助创造新的高性价比的存储设备。最近在固态存储器元件研究中发现的新候选产品,能够提供等价于铜或银等常见元素相同的性能优势,但与硅兼容(是一种纳米级,且硅兼容锡的电阻开关存储器)。

 

该图显示了科学家们所研究的交叉杆阵列设计,即垂直、水平的电极与红色记忆单元相交。单个存储器单元“飞出”的是其分子结构的模型,其中锡(图中的金球)通过绝缘HfO2层(图中蓝色和白色矩阵)扩散。在这种电阻开关结构中,每个元件对于在金属-绝缘体-金属叠层上形成灯丝是必不可少的。(图片来源:阿贡国家实验室)

 

 我们的需求是廉价,快速,非易失性,高能效和可扩展的固态存储器。其中导电桥随机存储储存器有望满足这些要求。

 

这种存储器件是由金属,绝缘体,金属三层一层层堆叠构成的。它在关闭状态下,绝缘体可以防止电子从第一层金属(阳极)传导到第二层金属(阴极)。在外部电压触发的导通状态下,绝缘体由于形成了由阳极的阳离子(带正电离子)构成的金属桥而降低了电阻,并允许电子由第一层金属传导到第二层金属。阳离子桥保持嵌入绝缘体中并存储信息单元直到电压转变,这样,电压就会溶解电桥并删除信息,使存储器恢复到原始状态。

 

银或铜通常扮演桥梁建造者的角色。这些金属由于快速扩散的特性,可以通过延伸细丝构建桥梁。缺点是它们迅速扩散到硅中会污染周围的硅电路。为了解决这个问题,制造商将设备与屏障或衬垫分开,但这又增加了固态存储器的生产成本。

 

Argonne纳米科技部常驻合作伙伴Sushant Sonde和纳米科技部门和纳米材料中心 (CNM) 主任Supratik Guha发现,锡的扩散速度足以延伸成常常的长丝。他们两人和他们的研究团队都收到了芝加哥大学分子工程研究所的任职要求,其中Guha还是一名教授。并且,由于锡与硅相容的化学性质,因此并不会污染硅。

 

硅和锡属于同一原子团。它们最外层电子数相等并且可以形成相同类型的化学键,而铜和银属于不同的原子团。

 

“与硅相比,锡等价于与硅,并且锡在硅中的较慢扩散速率为科学家们提供了灵活性,可以设计出与当今工业中使用的半导体技术兼容的系统。”Sonde解释说。

 

研究人员是如何知道锡是表现如此之好的?

 

首先,在CNM的科学家Subramanian Sankaranarayanan的协助下,他们创建了一个预测框架,主要通过使用CN,CNM的高性能计算集群来计算绝缘层中不同金属的扩散速率。结果验证了银和铜的性能并预测了锡的性能。该团队的新型预测框架不仅证明了标准电极金属(银和铜)的选择,而且还允许检测其他候选金属。

 

接下来,他们在CNM的半导体制造无菌室中以3-D“横杆”架构制造了锡,银和铜的测试结构。这种架构允许3-D设备,因为结构向上分层而不是向外,从而可以节省空间。

 

该团队使用CNM的新型超快半导体参数分析仪,可变温度电探针台和电子显微镜以及X射线技术等表征工具比较了新设备中银,铜和锡的表现。

 

与标准材料相比,锡在高热应力下也具有良好的速度和稳定性。锡电极的高热性能,证实了框架对性能最佳的电极金属的预测。

 

Sonde说:“该协议对未来框架的应用很有用,我们可以根据我们的标准微调内存设备的性能或探索出更新更好的性能。”

 

该团队研究了长丝如何随时间演变并测量长丝形成的时间。利用这种罕见的追踪方式表明,存储器件内部的工作性能,临界时间不仅取决于金属的类型,还取决于局部微结构的差异。

 

文章来源于nanowerk.com网站,由材料科技在线团队编译,原文题目:Tin type

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