GaSb基类超晶格相变薄膜的制备及其在相变存储器中的应用

Phase change random access memory (PCRAM) is internationally considered to be one of the most promising candidates for next-generation nonvolatile memories. PCRAM researches concentrate on how to reduce operating current and power, and to improve the speed and data retention. Phase change layer is the core of the PCRAM. The performance optimization of phase change material is essential for the device properties of PCRAM. In this project, The superlattice-like structure is embedded in the phase change layer which is alternately formed by the high thermal stability of GaSb and the mainstream Te-based Chalcogenides (Sb-Te, Ge-Te) with nanometer thickness. The reduction in operating current and power can be achieved due to the low thermal conductivity as a result of scattering effect of superlattice-like structure. In addition, the high thermal stability and crystallization speed of GaSb can improve the data retention and speed of PCRAM. The main research contents include controlled deposition technology of nanometer-scale phase-change materials and the optimization of fabrication process of PCRAM cell. Effects of periodic thickness and interface number of phase change layer on material and device properties are investigated. The relationship between atomic migration and device property is analyzed. The phase-change and heat-conduction mechanisms of the superlattice-like phase-change layer are studied. The device performances are ultimately regulated and enhanced.

相变存储器(PCRAM)是国际上公认的最具潜力的下一代非易失性存储器之一。PCRAM的研发重点集中在如何降低操作电流和功耗，提升相变速度和数据保持力。相变层是PCRAM的核心，其性能优化对PCRAM器件性能至关重要。在本项目中，将类超晶格结构引入相变层，相变层采用热稳定性高的相变材料(GaSb)和主流Te基硫系化合物(Sb-Te、Ge-Te等)以纳米级厚度交替生长而成。利用类超晶格结构的散射效应降低相变层的热导率，以达到降低操作电流和功耗的目的。此外，该相变层可以利用GaSb热稳定性好和结晶速度快的特性使PCRAM的数据保持力和操作速度得以提升。研究内容包括：掌握纳米尺度相变材料可控生长的制备技术，优化相变存储器单元的制备工艺；建立相变层的周期厚度和界面数与材料及器件性能的关系；探讨界面处原子迁移对器件性能的影响；掌握类超晶格相变层的相变机理和热传导机制，最终实现器件性能的提升与调控。

相变存储器(PCRAM)是国际上公认的最具潜力的下一代非易失性存储器之一。PCRAM的研发重点集中在如何降低操作电流和功耗，提升相变速度和数据保持力。相变层是PCRAM的核心，其性能优化对PCRAM器件性能至关重要。在本项目中，研究了Sb、Te基材料体系的相变性能及其掺杂改性。此外，将类超晶格结构引入相变层，相变层采用热稳定性高的相变材料(GaSb)和主流硫系化合物(Sb-Te、Ge-Te等)以纳米级厚度交替生长而成。研究内容包括：掌握纳米尺度相变材料可控生长的制备技术，优化相变存储器单元的制备工艺；建立相变层的周期厚度和界面数与材料及器件性能的关系；探讨界面处原子迁移对器件性能的影响；掌握类超晶格相变层的相变机理，最终实现器件性能的提升与调控。.项目团队基本上按照拟定的研究计划和实施方案较顺利地完成了相关研究工作，对Sb、Te基及GaSb基类超晶格材料的相变性能进行了系统研究。主要结果如下：(1) 薄膜热稳定性、光学带隙及热导率随着GaSb：SbxTe周期厚度比的增大而增大。具有相同厚度比的薄膜，其结晶温度和结晶活化能随着周期厚度的增加而减小；当周期厚度增加至10 nm以上时，结晶温度随着周期厚度的增加而增大；导率随周期厚度的增加而减小；(2)利用GaSb与Sb4Te薄膜构造的多层结构器件实现了三态存储，且优化出综合性能较优的组分[GaSb(4nm)/Sb4Te (6nm)]12，多级循环次数高达105次。在非晶态薄膜中形成的逾渗导电路径是实现多态存储的主要机制，这与第一性原理计算的结果一致。该器件为人工构造多级存储芯片提供了新思路；(3) SbxTe析出的Sb相在电迁移作用下不断聚集，形成富Sb区域。在循环次数超过数十万次后，由于相邻层之间的Sb元素迁移引起失效，即器件“扎钉”在低阻态。.项目执行期间总共发表SCI学术论文24篇，申请发明专利8项，4项已授权。培养研究生共3名，超额完成了项目任务。本项目的结果为研究新型的低功耗、多级存储的相变材料提供了指导方向，对发展低功耗PCRAM具有指导意义，特别是，对于我国自主PCRAM的产业化具有十分重要的借鉴作用。