Sb富含ZnSb基相變材料的性能研究.pdf

1、近些年來，相變隨機存儲器（PRAM）被認為是最具潛力和應用價值的下一代非易失性存儲器之一。由于它具有不揮發(fā)性、讀寫速度快、循環(huán)次數(shù)高、器件尺寸小、抗輻射能力強，以及和現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容等特點，進而被當今業(yè)內人士廣泛研究。然而，以傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5（GST）為存儲介質的PRAM存在明顯不足，這是由于GST這種材料存在諸多缺陷，如非晶態(tài)熱穩(wěn)定性不佳，相變速度較慢，以及晶態(tài)電阻較小和熔點過高等。對于單一結構的相變材料而言，其非晶態(tài)

2、熱穩(wěn)定性和相變速度總是存在相互制約，如何平衡這兩種性能是非常有必要研究的。所以，本文從材料出發(fā)，通過組分優(yōu)化，開發(fā)出幾種兼?zhèn)淞己脽岱€(wěn)定性和快速相變能力的薄膜存儲材料，主要工作如下：
　?。?）研究了新型的無 Te二元 Zn-Sb相變材料（Zn含量介于8.5~57.7 at.％之間）。從結構看，當 Sb含量較多時，Zn-Sb薄膜析出單一的Sb晶相；當Zn與 Sb含量的原子比大于等于1:1時，薄膜析出的是 ZnSb相，同時存在兩步析晶

3、過程，即存在穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)。從性能看，減少 Sb含量，能不斷增加 Zn-Sb薄膜的結晶溫度和析晶活化能，但其相變速度并無明顯增加。其中，ZnSb薄膜具備結晶溫度高（257℃）、析晶活化能大（5.63 eV）、十年數(shù)據(jù)保持力強（201℃）、熔點低（500℃）等特點。這表明 ZnSb薄膜是一種高熱穩(wěn)定的相變材料。
　?。?）利用二元ZnSb的高熱穩(wěn)定性，將其引入到具有快速相變能力的Sb-Te（Sb2Te、Sb3Te、Sb2Te3）薄膜中

4、。系統(tǒng)地研究了Sb富含 Zn-Sb-Te薄膜的析晶行為隨 Zn含量變化的情況：當 Zn含量少于10 at.%時，薄膜析出的是六方Sb2Te相或Sb2Te3相；當 Zn含量大于10 at.%時，薄膜析出的是菱面體的Sb相。析出晶相的不同導致薄膜熱學、光學、電學等性能發(fā)生變化。其中，ZnSb-Sb2Te系列薄膜兼?zhèn)?ZnSb的高熱穩(wěn)定性和Sb2Te的快速相變能力，尤其是 Zn28.6Sb53.7Te17.7薄膜，它具有較高的結晶溫度（約25

5、5℃）和較好的十年保存壽命（理論計算數(shù)據(jù)能在165.9℃的環(huán)境下安全地保存十年）。此外，該薄膜在70 mW的激光脈沖作用下完全結晶時間僅為58 ns。上述研究結果表明 Zn28.6Sb53.7Te17.7是一種高熱穩(wěn)定性好且相變速度快的存儲薄膜。
　　（3）深入分析了ZnSb引入SbSe薄膜后產(chǎn)生的一系列結構和相關物理性質的變化。ZnSb的引入破壞了Sb-Se3/2結構，使得薄膜產(chǎn)生 Zn-Se鍵，從而影響其光學、電學、熱學等性質

6、。通過適量的ZnSb摻雜（Zn19.0Sb45.7Se35.3），發(fā)現(xiàn)薄膜具有較高的結晶溫度（~250℃）、較大的析晶活化能（~8.57 eV）、較好的十年數(shù)據(jù)保持能力（~200.2℃）。與此同時，該薄膜的高晶態(tài)電阻（在300℃退火下約有3×103Ω/□）和低熔點（~550.2℃）非常有利于減小 RESET電流，降低 PRAM器件功耗。更重要的是，Zn19.0Sb45.7Se35.3薄膜可以在不犧牲熱穩(wěn)定性的情況下同時提高相變速度（在7

7、0mW的激光脈沖作用下，其相變速度能達到85ns）。但過量的摻雜會引起上述性能極度惡化。
　?。?）初步探究了某些金屬元素（如Sn、Bi、Al、Ag、In等）摻雜對 ZnSb相變薄膜所產(chǎn)生的影響。選擇其中具有代表性的ZnSb-3Sn、ZnSb-5Sn、ZnSb-In、ZnSb-Al薄膜進行結構及相變性能研究，發(fā)現(xiàn)其相變速度都有不同程度的增加，但十年數(shù)據(jù)保持能力略有下降。引入這些元素打破了Zn-Sb鍵的平衡，使ZnSb的析晶行為發(fā)生