[发明专利]基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器

说明书

本发明提出了一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器，相变存储单元包括加热电极、相变材料层和顶电极等部分，使用聚合物薄膜或者微流道构建出特定形状的相变材料层，采用电极或者激光的方式对相变材料层进行加热，并且与半导体元件连接可构建相变存储器阵列。本发明相变存储器具有相变速度快、结晶温度低等优点。

技术领域

本发明涉及一种相变存储器，特别涉及一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器。

背景技术

近几十年来，计算机技术得到突飞猛进的发展，广泛应用于日常生活和工业生产的方方面面。对于计算机而言，存储器是其重要的组成部分，决定着计算机的计算速度等重要性能。半导体存储器是目前大部分计算机采用的存储器件，其基本工作原理是通过控制浮栅结构中的电荷数量来改变晶体管的阈值电压。当浮栅中存有电荷时，晶体管的阈值电压增大，晶体管关闭，对应逻辑运算中的0；当浮栅中无电荷时，晶体管开启，对应逻辑运算中的1。虽然半导体存储器的集成度高，且功耗低，但是其依靠电容的电荷来保存数据，需要定时刷新来保持数据，因此存取速度慢。信息技术的高速发展对存储器的数据处理速度提出了更高的要求，数据信息量的增加使得人们逐步向微米和亚微米集成电路方向发展，以此提高存储器的集成度，目前集成电路技术已接近物理尺度上的极限，难以突破现有技术的瓶颈。

相变存储器的概念最早由奥弗新斯基提出，并首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变为晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特性。因此可以利用非晶态和晶态分别代表0和1来存储数据。相比于传统的半导体存储器，相变存储器在非晶态和晶态之间以纳秒级快速转换，并且非晶态与晶态的电阻特性差别很大。相关的研究表明相变存储器的稳定性十分优良，有望成为下一代存储器件。目前的相变存储器主要以硫属化合物为基础的相变材料，这种材料在激光或电流的热效应下可以实现晶体和非晶体状态的改变，但是这种材料的结晶温度一般在200摄氏度左右，结晶温度较高，影响存储器性能和制备工艺。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元及该单元构成的存储器，利用液态金属的固液相变特性，将其制备成微纳米颗粒，用于设计相变存储器，这种相变存储器相比于传统的半导体存储器具有纳秒级别的相变速度，而相比于现有的相变存储器则具有更低的相变温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于纳米液态金属颗粒的相变存储单元，包括加热部、相变材料层和顶电极，相变材料层作用于顶电极，加热部作用于相变材料层，所述相变材料层由微纳米液态金属颗粒掺杂在柔性聚合物薄膜中或者直接灌注在微流道结构中构成，通过加热相变材料层实现微纳米液态金属颗粒晶态和非晶态的转变，利用微纳米液态金属颗粒在非晶态和晶态下电阻特性的差异作为逻辑运算的0和1来存储数据。

所述液态金属为镓铟铋合金，不同成分的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金。同时可在液态金属中掺杂金属颗粒，如铝、银、铅等，以提高相变材料的相变速度。

所述的微纳米液态金属颗粒的尺寸具有较大的变化范围，单个微纳米液态金属颗粒直径可在10nm到100um之间。

所述的加热部为加热电极或者激光加热装置。

所述加热电极可以设计为多种形状，例如凸面形或T形，以加大与相变材料层的接触面积。

所述相变存储器可与半导体器件组合构建存储器阵列。例如，与二极管连接在位线和字线之间，构建高密度二极管相变存储器。.

本发明的原理在于：