超晶格相變材料研究.pdf

1、相變存儲(chǔ)器(PCRAM)被認(rèn)為是最有潛力的下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)之一。在過(guò)去的幾十年里,有關(guān)新型相變材料的開發(fā)從來(lái)沒有停止過(guò),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(dú)有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yùn)

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(duì)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(chǔ)等領(lǐng)域的可行性。
　　本文首先通過(guò)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(jí)平整的超晶格相變材料,并通過(guò)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(cè)試系統(tǒng),測(cè)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(duì)比例、周期長(zhǎng)度和總厚度等因素的影響,這是由于界面應(yīng)力對(duì)晶粒生長(zhǎng)的抑制所致,并且X射線衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果證實(shí)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(cè)試系統(tǒng)研究了超晶格相變材料的熱導(dǎo)率,測(cè)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(dòng)力學(xué)方法計(jì)算的熱導(dǎo)率結(jié)果一致,其中0.13W/

4、mK是目前文獻(xiàn)報(bào)道最低的相變材料熱導(dǎo)率。聲子譜的計(jì)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(dòng)的高頻移動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致其熱導(dǎo)率的降低;并且基于拉曼散射實(shí)驗(yàn),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(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布更為集中,從而減小鄰近存儲(chǔ)單元的熱串?dāng)_并降低器件功耗,隨后的PCRAM單元測(cè)試實(shí)驗(yàn)則證實(shí)了這一結(jié)論,并在實(shí)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(cè)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(shì)壘(DSB)的晶粒生

6、長(zhǎng)模型來(lái)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(shí)此消彼長(zhǎng)所致,這一推論得到交流阻抗譜實(shí)驗(yàn)的證實(shí),并且隨后的反射率測(cè)試、XRD以及掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)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(guò)調(diào)控超晶格的界面數(shù)來(lái)改善相變材料的電阻溫度特性,比如IMT溫度。
　　對(duì)GeTe/Sb2Te3超晶格的X射線光電子

7、能譜(XPS)和正電子湮沒譜測(cè)試表明,其表面懸掛鍵Te傾向于通過(guò)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(chǎng)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(cè)試所證實(shí)。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(chǔ)(PCHJ)的性能。由于表面態(tài)的作用使得GeTe