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通用存儲器的未來：“偶然發現”一種功耗低10億倍的奇怪半導體

半導體存儲器

通用存儲器的未來：“偶然發現”一種功耗低10億倍的奇怪半導體

研究人員的一個偶然發現可能會大大降低下一代存儲技術所需的能量 。
科學家們可能意外地克服了下一代數據存儲技術順利采用的一個主要障礙 。

研究人員說 ， 他們使用一種叫做硒化銦（In2Se3）的獨特材料 ， 發現了一種技術 ， 可以將相變存儲器（PCM）的能量需求降低10億倍 。 相變存儲器是一種能夠在沒有恒定電源的情況下存儲數據的技術 。
研究人員在11月6日發表在《自然》雜志上的一項研究中說 ， 這一突破是克服PCM數據存儲最大挑戰之一的一步 ， 可能為低功耗存儲設備和電子產品鋪平道路 。
PCM是通用存儲器的主要候選者——計算存儲器 ， 可以取代隨機存取存儲器（RAM）等短期存儲器和固態驅動器（SSD）或硬盤驅動器等存儲設備 。 RAM速度很快 ， 但需要大量的物理空間和恒定的電源才能運行 ， 而SSD或硬盤驅動器密度更大 ， 可以在計算機關閉時存儲數據 。 通用內存結合了兩者的優點 。
它通過在兩種狀態之間切換材料來工作：晶體 ， 原子整齊排列；非晶體 ， 原子隨機排列 。 這些狀態與二進制1和0相關 ， 通過狀態開關對數據進行編碼 。
然而 ， 用于切換這些狀態的“熔體淬火技術” —— 包括加熱和快速冷卻PCM材料 —— 需要大量的能源 ， 這使得該技術昂貴且難以規模化 。 在他們的研究中 ， 研究人員發現了一種完全繞過熔融淬火過程的方法 ， 即通過電荷誘導非晶化 。 這大大降低了PCM的能源需求 ， 并有可能為更廣泛的商業應用打開大門 。
該研究的作者、賓夕法尼亞大學工程學院材料科學與工程教授里泰什·阿加瓦爾在一份聲明中說：“相變存儲設備沒有得到廣泛應用的原因之一是它所需要的能量 。 ”他說 ， 這些發現在設計低功耗存儲設備方面的潛力是“巨大的” 。
研究人員的發現取決于硒化銦的獨特性質 ， 硒化銦是一種具有“鐵電”和“壓電”特性的半導體材料 。 鐵電材料可以自發極化 ， 這意味著它們可以在不需要外部電荷的情況下產生內部電場 。 相比之下 ， 壓電材料在暴露于電荷中時會發生物理變形 。
在測試這種材料時 ， 研究人員觀察到 ， 當它們暴露在持續電流中時 ， 它的部分會非晶化 。 而且 ， 這完全是偶然發生的 。
“我真的以為我可能損壞了電線 ， ”研究報告的合著者、賓夕法尼亞大學工程學院材料科學與工程專業的前博士生高拉夫·莫迪在聲明中說 。 “通常情況下 ， 你需要電脈沖來誘導任何形式的非晶化 ， 而在這里 ， 持續的電流破壞了晶體結構 ， 這是不應該發生的 。 ”
進一步的分析揭示了由半導體的特性引發的連鎖反應 。 這始于電流引起的材料微小變形 ， 引發“聲波震動” —— 一種類似于地震期間地震活動的聲波 。 然后 ， 這種能量在材料中傳播 ， 在微米尺度的區域上擴散非晶化 ， 研究人員將這種機制比作雪崩積聚動量 。
研究人員解釋說 ， 硒化銦的各種特性 —— 包括它的二維結構、鐵電性和壓電性 —— 共同作用 ， 實現了由沖擊觸發的超低能量非晶化途徑 。 他們在研究中寫道 ， 這可能為未來圍繞“低功耗電子和光子應用的新材料和設備”的研究奠定基礎 。
阿加瓦爾在聲明中說：“當所有這些特性結合在一起時 ， 這為材料的結構轉變開辟了一個新的領域 。 ”
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