超晶格相變材料研究.pdf

1、相變存儲器(PCRAM)被認(rèn)為是最有潛力的下一代半導(dǎo)體存儲技術(shù)之一。在過去的幾十年里,有關(guān)新型相變材料的開發(fā)從來沒有停止過,但目前的相變材料還不能完全滿足PCRAM特別是大容量PCRAM商用化要求,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受到操作電流以及鄰近單元熱串?dāng)_的嚴(yán)重制約。超晶格相變材料以其獨有的結(jié)構(gòu)特點和物理特性受到業(yè)界的廣泛關(guān)注,但是相關(guān)研究才剛剛起步,還沒有形成有關(guān)超晶格相變材料的完整理論體系。本文系統(tǒng)地研究超晶格相變材料的制備工藝、熱傳導(dǎo)特性、電輸運

2、特性、表面態(tài)及其相關(guān)機(jī)理,分析了超晶格相變材料對PCRAM性能的改善作用,并探討了其應(yīng)用于邏輯器件以及多值存儲等領(lǐng)域的可行性。
　　本文首先通過磁控濺射法制備了均勻的GeTe和Sb2Te3相變薄膜,在此基礎(chǔ)上獲得表面原子級平整的超晶格相變材料,并通過濺射工藝的調(diào)整成功制備出沉積態(tài)為非晶的GeTe/Sb2Te3超晶格?；谙嘧儾牧系墓鈱W(xué)特性研制了一套薄膜相變溫度測試系統(tǒng),測試結(jié)果表明GeTe/Sb2Te3超晶格的晶化溫度明顯高于組元

3、材料及Ge2Sb2Te5,并受其組元材料的相對比例、周期長度和總厚度等因素的影響,這是由于界面應(yīng)力對晶粒生長的抑制所致,并且X射線衍射(XRD)測試結(jié)果證實了由晶格失配引起的晶格畸變。
　　采用自行研制的薄膜熱導(dǎo)率測試系統(tǒng)研究了超晶格相變材料的熱導(dǎo)率,測得GeTe/Sb2Te3超晶格的熱導(dǎo)率均低于Ge2Sb2Te5相變材料,并且隨其界面數(shù)的增加先減小而后增大,這與由第一性原理以及分子動力學(xué)方法計算的熱導(dǎo)率結(jié)果一致,其中0.13W/

4、mK是目前文獻(xiàn)報道最低的相變材料熱導(dǎo)率。聲子譜的計算表明,超晶格相變材料的聲子群速減小、模式不匹配導(dǎo)致的能量禁錮、界面熱阻以及晶格振動的高頻移動均會導(dǎo)致其熱導(dǎo)率的降低;并且基于拉曼散射實驗,提出了“聲子模式的缺失”理論模型解釋了熱導(dǎo)率降低的原因。有限元模擬表明,相變材料熱導(dǎo)率減小可導(dǎo)致電流場和溫度場的分布更為集中,從而減小鄰近存儲單元的熱串?dāng)_并降低器件功耗,隨后的PCRAM單元測試實驗則證實了這一結(jié)論,并在實際器件中獲得了快至0.8ns

5、的RESET速度。
　　采用四探針和霍爾效應(yīng)法測得 GeTe/Sb2Te3超晶格的晶態(tài)電阻率高于 Ge2Sb2Te5相變材料,并且其大小主要受載流子遷移率的影響,這有利于降低器件的RESET電流。而且,GeTe/Sb2Te3超晶格的電阻溫度系數(shù)隨著退火溫度的升高逐漸從負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?表現(xiàn)出不同于其組元材料的“絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變”(IMT)以及目前已知的最高IMT溫度(350℃～375℃)。提出了一套基于雙肖特基勢壘(DSB)的晶粒生

6、長模型來解釋其IMT轉(zhuǎn)變,認(rèn)為這種IMT轉(zhuǎn)變是由于晶界電阻(負(fù)電阻溫度系數(shù))和晶粒電阻(正電阻溫度系數(shù))在退火晶化時此消彼長所致,這一推論得到交流阻抗譜實驗的證實,并且隨后的反射率測試、XRD以及掃描電鏡等實驗均確認(rèn)了GeTe/Sb2Te3超晶格的晶粒尺寸隨著退火溫度升高而不斷增大。此外,由于界面電阻的影響,還可以通過調(diào)控超晶格的界面數(shù)來改善相變材料的電阻溫度特性,比如IMT溫度。
　　對GeTe/Sb2Te3超晶格的X射線光電子

7、能譜(XPS)和正電子湮沒譜測試表明,其表面懸掛鍵Te傾向于通過隧穿效應(yīng)失去電子而成為正電中心,這阻礙了其與O原子的結(jié)合,呈現(xiàn)不同于一般相變材料的表面態(tài)。在 Te懸掛鍵形成的表面電場的作用下,GeTe/Sb2Te3超晶格的晶態(tài)與非晶態(tài)的功函數(shù)差異更大,這被靜電引力顯微鏡和XPS等測試所證實。因此,采用超晶格相變材料形成的異質(zhì)結(jié)的兩態(tài)導(dǎo)通電流差異更大,這使其能用于提升一種新型的相變異質(zhì)結(jié)存儲(PCHJ)的性能。由于表面態(tài)的作用使得GeTe