納米尺度相變材料短程結(jié)構(gòu)及相變特性研究.pdf

1、作為下一代半導體存儲技術(shù)，相變存儲器（PCRAM）與閃存（FLASH）相比具有很大的優(yōu)越性，特別是在器件單元尺寸微縮方面優(yōu)勢明顯。隨著摩爾定律的不斷推進，半導體器件的特征尺寸將逐漸進入10nm以下尺度，因此研究相變存儲器的尺寸極限對于該存儲技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，相變材料在納米尺度的物理特性還不完全清楚，尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的物理機制有待進一步研究。
　　本文研究了納米尺度相變材料的制備方法、物理特性的變化，重點解析了非晶態(tài)和

2、晶態(tài)納米尺度相變材料薄膜的微觀短程結(jié)構(gòu)變化，分析了其與宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)之間的聯(lián)系，并探討了納米尺度相變材料可能存在的失效原因及改進方案。
　　本文主要工作為：
　　首先采用磁控濺射法制備了具有原子級平整表面的非晶態(tài)相變納米薄膜，利用脈沖激光成功實現(xiàn)了6nm Ge2Sb2Te5非晶薄膜的光致相變。對相變納米薄膜在熱學、電學和光學方面的宏觀基本特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)晶化溫度、晶態(tài)電阻率及光學常數(shù)等均表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)。<

3、br>　　利用X射線光電子能譜（XPS）、表面增強拉曼散射譜（SERS）和X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）等多種探測手段對相變納米薄膜的非晶結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)現(xiàn)了GeTe納米薄膜中Ge原子的短程結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，當薄膜厚度降低至10nm以下時，Ge原子的配位環(huán)境從缺陷八面體中心向四面體中心變化。在實驗的基礎(chǔ)上，通過第一性原理分子動力學模擬淬火過程建立了非晶態(tài) G eTe納米薄膜的結(jié)構(gòu)模型，通過分析鍵角、配位數(shù)分布及局域序函數(shù)深入探討了

4、Ge原子短程結(jié)構(gòu)變化的原因，該變化將增大相變納米薄膜的非晶結(jié)構(gòu)與晶態(tài)結(jié)構(gòu)的短程序差異，提高材料的晶化溫度，增強相變存儲器穩(wěn)定性。
　　對相變納米薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)進行了顯微學解析，通過高分辨率透射電子顯微鏡觀測到 G eTe納米薄膜的晶粒具有高度擇優(yōu)取向，此外，比例大幅增加的界面原子分布明顯無序。拉曼散射實驗發(fā)現(xiàn)了該界面層原子對晶態(tài)相變納米薄膜聲子行為的影響，利用第一性原理模擬退火過程得到G eTe納米薄膜的晶態(tài)模型，結(jié)合鍵長-鍵能關(guān)

5、系模型對納米薄膜聲子譜中新的低頻聲子模式進行了分析。晶態(tài)相變納米薄膜的聲子行為改變使得晶格對載流子的散射幾率增大，晶態(tài)電阻升高，有利于減小相變存儲器的RESET電流。
　　在制備納米超薄膜的基礎(chǔ)上，利用電子束光刻工藝制備三維方向均在納米尺度的相變材料納米點陣，顆粒尺寸最小可達50nm。利用靜電力顯微鏡對不同尺寸納米點陣的晶化過程進行表征，發(fā)現(xiàn)高溫退火后納米點陣的功函數(shù)發(fā)生變化，證明材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，實現(xiàn)了相變。進一步，利用電子束