基于相变存储器的相变存储材料的研究进展

相变存储器具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、多级存储、与现有集成电路工艺相兼容等诸多优点,被认为是最具潜力的下一代存储器。简要介绍了相变存储材料的工作原理和对相变存储材料的性能要求,综述了近年来国内外在相变材料存储性能的优化、存储机理以及面临的关键问题等方面的最新研究成果,最后展望了相变存储材料的研究和发展趋势。

相变存储材料的研究现状及未来发展趋势

作为一种新型存储技术,相变存储技术表现出非易失性、读写速度快、使用寿命长以及与现有半导体技术兼容性好等优点,自进入人们视野以来,便引起了众多研究者的关注,尤其在近10年发展飞速。学者们也在不断探索相变存储材料的相变原理,目前已有的如伞状跳跃理论、多元环理论、共振键理论等可从一定角度解释相变存储材料的相变机理。此外,研究者们还建立了理论模型,这将极有利于新型相变存储材料的开发。相变存储材料存在结晶速度慢、结晶温度低、热稳定性差以及操作电压高等缺点,目前常用的改性方法为在原材料基础上通过掺杂非金属元素或金属元素,使其结晶速度、电阻率、热稳定性、晶粒尺寸、操作电压以及使用寿命等得到优化。如近几年开发的Ti-Sb-Te及Sc-Sb-Te新型相变存储材料,其在结晶温度、结晶速度以及热稳定性等多个方面的性能均有所提升,有望成为相变存储器的候选材料。目前,相变存储材料的制备方法主要有磁控溅射法,该方法沉积速度快,且制得的薄膜纯度高。然而,学者们目前尚未对相变存储材料的相变机理形成统一定论,相变存储材料性能较差,无法满足产业化要求,仍需进行深入研究。本文围绕相变存储材料的发展,综述了相变存储材料的相变机理、掺杂改性、制备方法、表征手段及产业化进展等方面的研究工作,深入分析了相变存储材料相变的机理以及掺杂机制。未来相变存储材料的研究模式将转变为设计、开发、优化的方式,这将进一步缩短相变存储材料的研究周期。

硒掺杂锗碲相变存储材料的第一性原理研究

硒(Se)掺杂可以大幅提高锗碲(GeTe)相变存储材料的再结晶温度,使其具有更高的服役温度和更好的数据保持力,然而Se掺杂对GeTe微观结构和电学性质的影响机制尚不清楚。采用第一性原理计算方法,对Se掺杂GeTe相变存储材料的几何构型、成键性质和电子性质进行了理论研究。结果表明,对于GeTe完美晶体,掺杂的Se原子优先取代Te原子。而对含本征Ge空位的GeTe体系,Se倾向于取代与Ge空位最近邻的Te原子。Se原子与Ge空位具有吸引作用,抑制了Ge空位的移动,从而提高其再结晶温度。Se掺杂导致含Ge空位的菱方相体积收缩,带隙减小,而使含Ge空位的面心立方相体积膨胀,带隙增大。Se掺杂减小了GeTe两晶相的体积差异。计算结果为解释实验中Se掺杂导致的奇特相变性质提供了重要线索。

相变存储材料及其相变机制研究进展

介绍了相变存储材料的工作原理与其工作性能之间的对应关系,相变存储材料的开发与材料性能要求密不可分,在分析当前主流相变存储材料Ge2Sb2Te5的优点与不足的基础上,指出无Te富Sb为未来相变存储材料体系的研究方向。控制相变行为是实现相变存储技术商业化的关键,材料的微观结构和相变机制决定了相变存储材料的相变行为,而计算材料学是研究相变存储材料微观结构与相变机制之间联系的必要手段。运用第一性原理动态模拟相变存储材料的相变过程,可以弥补静态结构分析的不足,推动对快速可逆相变机理动态过程的理解运用,同时为进一步研究相变存储材料提供借鉴。

Cu对用于高速相变存储器的Sb2Te薄膜的结构及相变的影响研究

采用原位X射线衍射仪、拉曼光谱仪和X射线反射仪分别研究了Cu-Sb2Te薄膜的微结构、成键结构和结晶前后的密度变化.Sb2Te薄膜的结晶温度随着Cu含量的增加而增大.在10 at.%和14 at.%Cu的Sb2Te薄膜中,Cu与Te成键,结晶相由六方相的Cu7Te4、菱形相的Sb及六方相的Sb2Te构成.10 at.%和14 at.%Cu的Sb2Te薄膜在结晶前后的厚度变化分别约为3.2%和4.0%,均小于传统的Ge2Sb2Te5(GST)薄膜.制备了基于Cu-Sb2Te薄膜的相变存储单元,并测试了其器件性能.Cu-Sb2Te器件均能在10 ns的电脉冲下实现可逆SET-RESET操作.SET和RESET操作电压随着Cu含量的增加而减小.疲劳测试结果显示,Cu含量为10 at.%和14 at.%的PCRAM单元的循环操作次数分别达到1.3×104和1.5×105,RESET和SET态的电阻比值约为100.Cu-Sb2Te可以作为应用于高速相变存储器(PCRAM)的候选材料.

激光致溅射沉积Ge_2Sb_2Te_5薄膜的结晶行为研究

利用ＸＲＤ研究了激光致溅射沉积Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５薄膜的结晶行为;研究发现,与热致相变不同的是,激光致相变只发生从非晶态到ＦＣＣ晶态结构的转变,从ＦＣＣ到ＨＣＰ的结构转变不再发生,这有利于提高相变光盘的信噪比．Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５薄膜的结晶程度受初始化功率和转速的影响．