Sb富含ZnSb基相變材料的性能研究.pdf

1、近些年來(lái)，相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（PRAM）被認(rèn)為是最具潛力和應(yīng)用價(jià)值的下一代非易失性存儲(chǔ)器之一。由于它具有不揮發(fā)性、讀寫(xiě)速度快、循環(huán)次數(shù)高、器件尺寸小、抗輻射能力強(qiáng)，以及和現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容等特點(diǎn)，進(jìn)而被當(dāng)今業(yè)內(nèi)人士廣泛研究。然而，以傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5（GST）為存儲(chǔ)介質(zhì)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(diǎn)過(guò)高等。對(duì)于單一結(jié)構(gòu)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(guò)組分優(yōu)化，開(kāi)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(chǔ)材料，主要工作如下：
　　（1）研究了新型的無(wú) Te二元 Zn-Sb相變材料（Zn含量介于8.5~57.7 at.％之間）。從結(jié)構(gòu)看，當(dāng) Sb含量較多時(shí)，Zn-Sb薄膜析出單一的Sb晶相；當(dāng)Zn與 Sb含量的原子比大于等于1:1時(shí)，薄膜析出的是 ZnSb相，同時(shí)存在兩步析晶

3、過(guò)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(jié)晶溫度和析晶活化能，但其相變速度并無(wú)明顯增加。其中，ZnSb薄膜具備結(jié)晶溫度高（257℃）、析晶活化能大（5.63 eV）、十年數(shù)據(jù)保持力強(qiáng)（201℃）、熔點(diǎn)低（500℃）等特點(diǎn)。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(dāng) Zn含量少于10 at.%時(shí)，薄膜析出的是六方Sb2Te相或Sb2Te3相；當(dāng) Zn含量大于10 at.%時(shí)，薄膜析出的是菱面體的Sb相。析出晶相的不同導(dǎo)致薄膜熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)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(jié)晶溫度（約25

5、5℃）和較好的十年保存壽命（理論計(jì)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(jié)晶時(shí)間僅為58 ns。上述研究結(jié)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(chǔ)薄膜。
　　（3）深入分析了ZnSb引入SbSe薄膜后產(chǎn)生的一系列結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理性質(zhì)的變化。ZnSb的引入破壞了Sb-Se3/2結(jié)構(gòu)，使得薄膜產(chǎn)生 Zn-Se鍵，從而影響其光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)

6、。通過(guò)適量的ZnSb摻雜（Zn19.0Sb45.7Se35.3），發(fā)現(xiàn)薄膜具有較高的結(jié)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(shí)，該薄膜的高晶態(tài)電阻（在300℃退火下約有3×103Ω/□）和低熔點(diǎn)（~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(shí)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(dá)到85ns）。但過(guò)量的摻雜會(huì)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(duì) 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(jìn)行結(jié)構(gòu)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