【摘 要】
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相变存储器（PCM）是应用于下一代数据存储和计算技术的最具前景的新型存储器之一。多值存储技术是相变存储器最具竞争力的优势之一,使存储容量指数增加,并且由于未改变单个存储器件的物理尺寸,使存储每位数据的成本得到显著降低;同时,多值存储也是相变存储器应用于类脑神经计算的必要特性之一。但相变存储器的多值存储在实际应用中面临狭窄的操作窗口、工艺波动和阻值漂移等一系列不稳定性问题。为此,本文提出了用于多值存
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相变存储器（PCM）是应用于下一代数据存储和计算技术的最具前景的新型存储器之一。多值存储技术是相变存储器最具竞争力的优势之一,使存储容量指数增加,并且由于未改变单个存储器件的物理尺寸,使存储每位数据的成本得到显著降低;同时,多值存储也是相变存储器应用于类脑神经计算的必要特性之一。但相变存储器的多值存储在实际应用中面临狭窄的操作窗口、工艺波动和阻值漂移等一系列不稳定性问题。为此,本文提出了用于多值存储的Ge-Ga-Sb相变材料,其优异的多值特性很好地解决了上述不稳定性问题,具体研究过程如下:（1）Ge-Ga-Sb的多值特性表征。本文采用微纳加工工艺制备了Ge-Ga-Sb薄膜和基于Ge-Ga-Sb的250 nm柱状结构的相变存储单元。在薄膜的R-T测试和相变存储器件的电学测试中,Ge15Ga25Sb60（GGS）均表现出了三个电阻状态,即高电阻状态、中间电阻状态和低电阻状态。（2）GGS的多值稳定性。在电学测试过程中,GGS相变存储单元表现出相邻组态之间的大电阻比（＞5）,大电压操作窗口（＞1.2 V）、较低阻值漂移系数（0.025,Ge2Sb2Te5的1/4）和高结晶温度（300℃）。以上特性可以有效解决前面提到的多值存储实际应用中存在的不稳定性问题。（3）GGS的多值机理分析。XRD结果表明中间阻态和低阻态的GGS的晶体结构均为菱方结构,表明多值特性并不是多个晶体结构导致的。原子层析成像表明低阻态具有纳米尺度的元素聚集。透射电子显微镜表明高阻态的GGS为非晶,且各元素分布均匀。中间阻态为由小尺寸（＜10 nm）的晶粒构成的多晶,且各元素同样分布均匀;而低阻态为由大尺寸的晶粒构成的多晶（＞40 nm）,出现了元素的不均匀分布。通过选区电子衍射分析,中间阻态和低阻态的晶体结构均为菱方结构,与XRD的测试结果一致。总结起来,三个电阻状态分别对应于均匀非晶-均匀多晶-异质多晶。（4）Ge-Ga-Sb的材料设计。通过改变Ga含量使Ge-Ga-Sb可以应用在不同场景,如多值存储的应用和高温场景的应用。
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