晶體Ge2Sb2Te5相變機理的第一性原理研究.pdf

1、半導體存儲器以其體積小、存儲速度快被廣泛應用于現(xiàn)代生活的電子產(chǎn)品中。為了滿足日益增長的市場需求，提高半導體存儲器的性能，各種各樣的新型存儲器被研制出來，其中包括鐵電存儲器（FeRAM）、磁存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)以及相變存儲器(PCRAM)等。其中，PCRAM以其獨特的存儲方式、低功耗、可擦寫次數(shù)高、與CMOS工藝兼容良好等優(yōu)點受到各界的廣泛關注。而硫系相變存儲材料GeSbTe(GST)因其優(yōu)異的性能及突出的存儲特性，

2、成為了相變存儲材料的主要研究對象。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢方法，對晶體GST相變材料進行了模擬計算和分析，通過摻入雜質以及空位等方式，探討了缺陷對硫系相變材料GST電學特性的影響，為相變存儲器的優(yōu)化設計提供理論指導。
　　本征半導體指完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體，但實際半導體不能絕對的純凈，通常所見的材料中都存在缺陷。晶體中的缺陷通常有三種:摻雜、本征缺陷和反位缺陷。本文主要對常見的兩種缺陷類型—摻雜、本征

3、空位缺陷進行探討，即分別對GST的Si摻雜改性及本征Ge空位缺陷的電學特性進行了研究。
　　(1)摻雜缺陷效應:根據(jù)摻雜位置的不同可以將摻雜類型分為間隙式摻雜和替位式摻雜。間隙式摻雜指在晶體中原子間進行摻雜，替位式摻雜指的是摻雜的原子代替本征半導體材料中某個位置的原子。本文通過比較晶體體系的形成能大小，確定穩(wěn)定的晶體結構，然后模擬計算摻雜體系的態(tài)密度、能帶結構以及電荷密度等。通過對摻雜體系與純凈的GST體系性能的比較，可以發(fā)現(xiàn)摻雜

4、體系呈明顯的P型半導體性質且功耗降低、數(shù)據(jù)的保持能力有所提高。當考慮摻雜對整個結構體系電學性質的影響時，摻雜的濃度和位置也是研究的重點，因此本文分析了不同的摻雜濃度和不同摻雜位置對GST體系電子結構和原子間共價鍵的影響，結果表明:當摻雜濃度保持在20％時，能夠以最低的摻雜濃度得到最大的摻雜效果，且摻雜的位置對GST體系電子結構和原子間共價鍵沒有影響。同時，本文分析了不同原子的價電子的軌道電子態(tài)對總態(tài)密度的影響，發(fā)現(xiàn)Te原子的 p，d軌道

5、電子態(tài)的作用大于s軌道。
　　(2)本征空位缺陷:比較GST三種本征空位缺陷結構的形成能，可以發(fā)現(xiàn)Ge空位體系是最容易形成的結構。模擬空位體系中的態(tài)密度與能帶結構，分別討論空位濃度在10％-40％的情況下體系電子結構的變化，可以得到呈明顯P型半導體性質的GST體系，且導帶與帶隙寬度也明顯展寬，當空位濃度保持在20％時，帶隙最大，此時材料的數(shù)據(jù)保持能力最強。同時，在不同的晶向上進行空位模擬得到體系的電學性質沒有明顯變化。本文最后討論

6、了Ge原子空位對結構中原子價電子態(tài)以及原子之間的共價鍵的影響。結果表明，空位體系中Te原子價電子的p，d軌道電子態(tài)的作用遠大于s軌道，且空位對體系中共價鍵的總能量沒有明顯影響。上述研究成果對于PCRAM的電學特性的改善起到一定的理論指導作用。
　　本文對基于晶體GST材料的相變存儲器中的缺陷效應進行了一系列的研究。第一章概述了半導體存儲器和相變存儲器的發(fā)展背景及研究現(xiàn)狀;第二章主要講述了本文研究所需的理論依據(jù)及相關軟件的介紹;第三