近日，我室研究生尹天浩、陈益敏副研究员、沈祥研究员等在期刊Applied Physics Letters（IF=3.879）上在线发表了题为“Realizing multi-level phase-change storage by monatomic antimony”的文章，https://doi.org/10.1063/5.0232003。

       内存计算作为一项能够克服冯-诺依曼计算架构局限性的关键技术，已在人工智能领域获得认可。相变随机存储器（PCRAM）具有支持整个存储层次的巨大潜力，已成为未来最有前途的内存计算技术之一。PCRAM 的一个显著优势是具有多级存储能力，这是提高存储密度和降低单位比特成本的关键因素。但目前PCRAM的多级存储多是基于多元复杂成分的相变材料，多次循环后容易出现成分偏析进而导致器件失效。

       本研究利用单组分锑（Sb）的相变能力随厚度变化的行为，探索了其在多级相变存储中的应用可行性。研究发现，覆盖了 4 nm 厚二氧化硅层的纳米级Sb薄膜具有良好的非晶态热稳定性，且当Sb薄膜厚度从 5 nm减小到 3 nm时，结晶温度从 165 ˚C 增加到 245 ˚C。随后将5 nm、4 nm、3 nm三种厚度的Sb薄膜通过物理堆叠成多层复合结构，以实现多级相变存储。如图1所示，由该多层纳米复合薄膜制作成的PCRAM单元可实现四种不同的电阻状态，每个状态都具有较大的开关比（~102）和阈值电压差（~0.5 V），其对应的SET速度和RESET功耗分别为20 ns和~2 nJ。这种快速、可逆、低功耗的单元素多级存储器可为发展高密度 PCRAM用于大规模神经形态计算提供新思路。

图 1. (a) 基于多层Sb薄膜 PCRAM 的直流扫描 I-V 曲线和 (b) 多脉宽电脉冲测量的R-V 曲线。(c) 基于 GST 和多层Sb薄膜 PCRAM的 (c) SET 速度比较图和 (d) RESET 功耗比较图。