西安交大材料创新设计中心成功实现相变存储器件的原子模拟

9月25日，《自然-电子学》(Nature Electronics)在线发表了西安交通大学与牛津大学的合作论文“Device-scale atomistic modelling of phase-change memory materials”，同时期刊编辑在Research Briefing专栏对该文章进行了专题推荐。

近几年来，相变存储器（PCRAM）已逐步实现商业应用，包括基于三维堆叠技术的高密度相变存储芯片以及高稳定低功耗的嵌入式相变存储芯片。PCRAM的核心材料是处于锑化锗GeTe和碲化锑Sb2Te3伪二元线上的锗锑碲合金Ge–Sb–Te alloys，数据存储利用的是该类材料在其晶体相与非晶相之间快速可逆相变所引起的巨大电阻差异。基于量子力学原理的第一性原理分子动力学模拟（AIMD）是理解相变材料本征性质、设计新型相变材料的有效手段。然而该方法仅限于数百至数千原子尺寸模型的研究，无法支撑实际器件尺寸体系的模拟。以三维堆叠芯片为例，如图1a所示，其相变存储单元的特征尺寸为20 nm′ 20 nm′ 40 nm，包含超过53万个锗锑碲原子，远超AIMD的计算极限。同时，由于相变材料化学成分复杂而且数据存储过程中涉及多重结构相变，基于经验参数的传统力场（classical force field）很难对其进行准确的模拟。

为了解决该问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室材料创新设计中心张伟教授和牛津大学化学系Volker L. Deringer教授通力合作，利用先进的机器学习方法并基于高斯近似势能GAP框架，开发了一个适用于锗锑碲合金的机器学习势能函数（Machine-Learned potential）。该势能函数兼具传统力场的计算效率和量子力学的计算精度，能够准确描述伪二元线上的任意组分的锗锑碲合金的复杂结构特征以及可逆相变过程。同时，团队考虑了结构相变引起的密度变化、脉冲产生的温度梯度、电场作用下的离子迁移过程以及结构弛豫等影响，使得原子模拟更加接近相变器件真实的服役过程。如图1b所示，团队实现了三维堆叠芯片相变单元擦除过程所涉及的脉冲诱导熔化过程的原子模拟。该方法具有非常高的扩展性，可模拟器件界面对相变过程的影响，有助于进一步优化器件的尺寸与结构。

该项工作由博士生周宇星（第一作者）在张伟教授（通讯作者）、马恩教授以及Volker L. Deringer教授（通讯作者）的共同指导下完成。目前，该工作所得到的所有数据库与势函数均已开源，开源数据可以在Zenodo平台以及Alkemie平台免费下载。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-01030-x

数据库链接：https://zenodo.org/record/8208202 以及http://alkemie.cloud

图1三维堆叠相变存储芯片中相变单元的的原子模拟，颜色深浅代表晶体熔化程度。