卵阈值切换导致记忆中的突破
文章：PierreNoé，Cea-Leti
卵形阈值切换将相变存储元件与OTS选择器装置基于硫属化物材料组合。
硫系相变材料可以在光学和电学性质非常不同的非晶相和晶体相之间快速可逆地转换。这种非常规的特性组合使其首次用于可重写光存储产品，目前用于高级非易失性电阻存储器。
此外，呼吸阈值切换（OTS）的独特现象最近导致了存储领域的主要技术突破。实际上，由于相变存储器（PCM）元件和OTS选择器装置的组合，基于硫属化物材料（图1)。
图1存储单元是通过在交叉点存储(CPM)结构中堆叠存储元件(PCM单元作为电阻存储元件)和OTS选择器来创建的。
当施加电压超过V时th， OTS材料的电阻率显著下降，可以实现大电流流动(图2)。后者允许编程和读取3D交叉点网络内所选择的存储器单元，而不会对相邻单元的不期望编程。
图2该图显示了OTS薄膜的电流 - 电压特性。
这是通过限制I的泄漏电流来实现的泄漏V形值th/ 2极化策略。当移除该高电压时，OTS材料恢复其高电阻状态。这些新的内存架构为实现了由人脑功能的储存类存储器（SCM）和神经形态电路的过程铺平了道路。
但是，在发现后超过50年Stanford1968年，OTS效应的起源还没有被解释或完全理解。我们现在有了解释。回顾过去，很明显，它是一种独特的非线性电导率行为观察到一些硫系玻璃在高电场的应用。
新的OTS材料
CEA-Leti科学家与比利时列日大学的Jean-Yves Raty合作，并在CEA和大学之间协议的框架内，使得最终可以阐明OTS的物理切换机制。这种独特的结果来自基于Ge-Sb-Se-N（GSSN）玻璃薄膜的新OTS材料的深入研究。
关键是通过模拟的创新方法耦合电气，光学和X射线吸收光谱测量的先进实验AB Initio.分子动力学(AIMD)。XAS实验是在意大利丽莎光束线上的欧洲同步辐射设施(ESRF)进行的。这项研究已经在几家顶级科学期刊上发表，包括最近在美国杂志上发表的一篇文章科学推进.
尽管在PCM和其他设备多年来，但对硫属化物材料的一些特定行为的基本理解仍然是对设备性能的重大影响，仍然是科学领域。这种追求理解是最好的，通过长期的辩论，并搜索相变材料的无定形和结晶相之间的电子性质独特对比的解释。
最近使用现代重新预订后者的起源AB Initio.超出使用密度函数理论（DFT）获得的通常单电子描述的仿真方法。实际上，相变材料在一类材料中，该材料显示出以前归因于共振键合的特殊性。
OTS如何工作
称为初始金属的相应材料和它们的粘合，其被称为均衡键合，从共价材料或具有共振键合的材料（例如石墨烯或苯）不同。再次，在硫属化物材料的玻璃体状态下，自50年前的发现以来，一些具体和罕见的行为也仍然不清楚。
虽然硫属化物玻璃中的亚阈值传导机制现在很好地理解，但OTS中涉及的潜在物理机制仍然存在很大辩论。现在揭示了OTS机制，以涉及在薄层硫族化物玻璃薄层中的高电场施加微妙的原子重排。
这些表现为某些化学键的对准和局部原子结构图案的出现。这使得最近在硫属化物相变材料的结晶相中描述的新的均衡键（MVB）。
因此，这些MVBs导致了电子态密度(edo)的巨大变化，并伴随着材料电阻率的急剧下降和金属行为的出现(图3)。这样一个基本的理解现在允许科学家定义设计规则，以进一步优化无定形硫族化合物的OTS特性。
图3非晶OTS玻璃在原始状态下的瞬间快照显示在左边，在激发态下的瞬间快照显示在右边。
在OTS材料中，阈值开关处的电导率在电场作用下显著提高，这可以用E周围电子态的强离域来解释F波函数——用蓝色等曲线表示。尽管网络的全局拓扑在激发下是守恒的，但可以观察到准对齐键的比例发生了重要的变化，这些键产生了类似于MVBs的结构基序，如图顶端的小分子所示。
这些MVB类似于硫属化物相变材料的结晶状态中发现的MVB。它们的不同之处在于它们在施加在OTS眼镜中的高电场期间发生并保持稳定，相反，与它们在结晶状态中容易稳定的相变材料相反。
这种新颖的OTS模型首次建立了pcm中相变材料族硫族材料与作为选择器的OTS族硫族材料之间的共同联系。在这两个系统中，MVB机制负责独特的性能，导致最近通过3D集成非易失性电阻存储器的突破。PCM和OTS材料的主要区别在于它们稳定MVB机制和结晶的能垒的能力。
本文最初发表于edn..
PierreNoé是Cea-Leti的研究科学家和高级专家。他的专业领域是用于电子和光子应用的硫属化物材料科学。
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