基于镓掺杂实现高阈值稳定性的GeSe基选择器专用存储器

High-Threshold-Stability GeSe-Based Selector-Only Memory Enabled by Gallium Doping

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.11124900

作者	Yaru Zhang · Jinyu Wen · Chuanqi Yi · Lun Wang · Zixuan Liu · Ziqi Chen
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年8月
技术分类	电动汽车驱动
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	选择器式内存阈值电压稳定性镓掺杂性能提升可靠性

语言:

中文摘要

仅选择器存储器（SOM）利用 Ovonic 阈值开关（OTS）器件中的阈值电压（$V_{th}$）漂移来存储数据，因其低延迟、高密度和成本效益高，已成为一种颇具前景的存储级存储器（SCM）候选方案。然而，$V_{th}$的不稳定性，包括可变性和漂移，仍然是一个主要的可靠性挑战。在此，我们提出一种镓（Ga）掺杂策略来增强$V_{th}$的稳定性。在双势阱 OTS 模型的指导下，我们采用从头算分子动力学（AIMD）计算，分析了各种掺杂剂对 SOM 材料中决定$V_{th}$稳定性的配位数（CNs）和键合特性的影响，确定 Ga 为最佳掺杂剂。与未掺杂的基于 GeSe 的 SOM（漂移率$\gamma = 35.1$mV/十倍，耐久性$= 10^{6}$次循环）相比，Ga 掺杂的 SOM 性能显著提升：漂移减小（16.5 mV/十倍），耐久性提高（$> 10^{9}$次循环），可变性受到抑制（$\sigma 0 < 0.2$V，$\sigma 1 < 0.068$V，$\sigma$定义为$V_{th}$之间的标准差），热稳定性增强（> 400°C）。值得注意的是，过度掺杂会导致性能下降，这与理论预测相符，也验证了我们的筛选方法。这项工作为开发高可靠性的 SOM 器件提供了机理见解和实际指导。

English Abstract

Selector-only memory (SOM), which utilizes threshold voltage ( {V}_ {th} ) shift in ovonic threshold switching (OTS) devices for data storage, has emerged as a promising storage-class memory (SCM) candidate due to its low latency, high density, and cost-effectiveness. However, {V}_ {th} instability, including variability and drift, remains a major reliability challenge. Here, we propose a gallium (Ga) doping strategy to enhance {V}_ {th} stability. Guided by double energy well OTS model, we employed ab-initio molecular dynamics (AIMD) calculations to analyze the effects of various dopants on the coordination numbers (CNs) and bonding characteristics that govern {V}_ {th} stability in SOM materials, identifying Ga as the optimal dopant. Compared to undoped GeSe-based SOM ( =35.1 mV/dec, endurance = 10^6 cycles), Ga-doped SOM exhibits significantly enhanced performance: reduced drift (16.5 mV/dec), improved endurance ( 10^9 cycles), suppressed variability ( ~0 0.2 V, 1 0.068 V, is defined as the standard deviation between {V}_ {th} ), and enhanced thermal stability (>400°C). Notably, excessive doping degrades performance, aligning with theoretical predictions and validating our screening approach. This work provides both mechanistic insights and practical guidance for developing highly reliable SOM devices.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项基于镓掺杂GeSe的选择器存储器技术虽属半导体存储领域，但其底层技术原理对我司储能系统和智能化产品具有重要参考价值。

该技术的核心突破在于通过镓掺杂显著提升了阈值电压的稳定性，这与我司储能系统中电池管理系统（BMS）和功率控制单元面临的挑战存在相似性。储能系统要求在宽温度范围、高循环次数下保持精确的电压阈值控制和状态判断，而该研究展示的技术路径——通过材料掺杂优化实现参数稳定性提升（漂移降低53%、循环寿命提升1000倍、工作温度超400°C）——为我司功率半导体器件和传感器技术的改进提供了方法论启示。

从应用前景看，该技术展现的低延迟、高密度特性契合储能系统向智能化、数字化发展的趋势。随着我司推进"光储充氢"一体化解决方案，对边缘计算、实时数据处理的需求日益增长，高可靠性存储技术可能成为下一代储能控制器和能量管理系统的关键组件。特别是其在极端温度下的稳定性，对光伏逆变器在沙漠、高原等严苛环境下的应用具有借鉴意义。

技术挑战方面，该研究尚处于实验室阶段，距离商业化应用存在工艺成熟度、成本控制和供应链整合等障碍。但其采用的理论指导材料筛选方法论值得我司研发团队关注，可应用于功率器件材料优化、热管理材料开发等领域。建议与相关科研机构建立技术跟踪机制，评估其在工业级应用中的可行性，为我司产品的长期技术竞争力储备前沿方案。