【摘 要】
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大数据时代信息爆炸式的增长及频繁的交互对现有存储技术的存取速度及功耗等问题提出了新的挑战。相变存储技术作为下一代新型存储技术的有力竞争者之一,有着非易失、存取速度快及循环擦写次数高等优点,一直以来受到了人们的广泛关注。但其写入速度尚未达极限,擦除过程中阈值电压过高等问题阻碍了其进一步商业化的道路。因此,学者们基于相变材料相变过程的基本原理提出了多种性能调制方法,以推动其进一步发展。本研究首先确定了
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大数据时代信息爆炸式的增长及频繁的交互对现有存储技术的存取速度及功耗等问题提出了新的挑战。相变存储技术作为下一代新型存储技术的有力竞争者之一,有着非易失、存取速度快及循环擦写次数高等优点,一直以来受到了人们的广泛关注。但其写入速度尚未达极限,擦除过程中阈值电压过高等问题阻碍了其进一步商业化的道路。因此,学者们基于相变材料相变过程的基本原理提出了多种性能调制方法,以推动其进一步发展。本研究首先确定了制备Ge Te、Sb2Te3及Ge-Sb-Te三元合金等多种相变薄膜的磁控溅射、脉冲激光沉积的工艺参数,探究了制备相变存储器的工艺与方法。并利用部分材料表征及器件测试方法分别对制备的薄膜及器件进行了基本特性测试。介绍了第一性原理计算的基本过程及其在探究相变材料机理过程中的应用。基于空位缺陷在相变过程中的重要作用,利用Au掺杂占据空位的方式对空位的浓度进行了调控。利用X射线衍射及第一性原理计算的手段证明了Au原子在Ge Te晶格中会优先占据Ge空位的位置。随后将一系列不同Au掺杂浓度（不同空位浓度）的Au-Ge Te材料制备成相变存储器并对其进行了相关测试,发现随着空位浓度的降低,Ge Te薄膜非晶化过程的阈值电压逐渐升高。逾渗理论解释表明,空位破坏了材料晶格结构的完整性,因此可降低材料非晶化过程的阈值电压。基于该结论,提出了一种通过对Ge Te薄膜施加面内压应力从而增大其内部空位浓度,并降低其非晶化阈值电压的方法。为跳过材料晶化时较为耗时的形核过程,设计了可供GeSb2Te4生长附着的Sb2Te3模板,从而对GeSb2Te4的晶化过程实现了加速效果。通过X射线衍射测试确认了多层GeSb2Te4/Sb2Te3薄膜中两种子层间的外延生长关系。基于该多层异质薄膜的相变存储器写入速度测试表明,使用Sb2Te3模板后GeSb2Te4的写入速度从54 ns提升至12 ns,速度提升近五倍。高分辨透射电子显微镜测试表明相变存储器中多层异质薄膜的结构主要为面心立方相,基于该结构构建了GeSb2Te4/Sb2Te3异质模型,并利用第一性原理分子动力学对GeSb2Te4在Sb2Te3模板上的晶化过程进行了模拟及分析。结果表明Sb2Te3模板比本征GeSb2Te4模板能更快地促进GeSb2Te4完成晶化过程（两种模板下GeSb2Te4晶化过程的耗时分别为80 ps及120 ps）。Sb2Te3更优的模板性能主要来自于其更具粘附性的表面,该表面可更快地促进界面处的GeSb2Te4原子完成有序化排列。而Sb2Te3模板更高的粘附性来自于其表面更多的悬挂键及其在与运动Ge原子成键时形成的反键态Ge-Te键更少。最后研究了磁场对Ge Te/Sb2Te3相变超晶格的调控作用及作用规律。阐述了拓扑绝缘相变材料的基本原理及狄拉克锥的能带特征,I-V曲线测试表明0.1 T磁场作用下Ge Te/Sb2Te3超晶格的阈值电压可由1.7 V升高至2.7 V。拉曼及透射电子显微镜测试表明Ge Te/Sb2Te3超晶格在部分区域较易发生子层混合,并由此失去拓扑绝缘性,因此磁致阈值电压升高的现象应不只与其拓扑绝缘性有关。外加磁场退火后,Ge Te/Sb2Te3超晶格薄膜的粗糙度、热导率及电阻率等物理参数随着外加磁场的增大,分别呈现出增大、升高及下降的趋势,该变化趋势的原因被归结为磁场对该超晶格薄膜结晶过程的影响。并通过X射线衍射及扩展X射线吸收精细结构测试对磁场的具体影响进行了阐述:磁场可减小Ge Te/Sb2Te3超晶格薄膜晶化时形成晶粒的尺寸并增加晶粒数量,但晶粒内部原子间相对位置的关系不受影响。最后提出该磁场作用效果可能与运动离子受洛伦兹力后其运动范围被局域化有关。
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