【摘 要】
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相变存储是一种兼备快速数据存储能力和可高度集成的新型非易失性存储技术,而相变材料作为相变存储器（PCRAM）的核心存储介质,其性能的优劣将会直接影响到器件性能的好坏。传统的Ge-Sb-Te硫系化合物Ge2Sb2Te5（GST）虽是目前研究和应用较为广泛的相变存储材料,但其较差的热稳定性极大限制了进一步商用,是目前急需解决的问题。基于相变材料目前存在的问题,本文通过一种碱土金属元素钙（Ca）掺杂改性
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相变存储是一种兼备快速数据存储能力和可高度集成的新型非易失性存储技术,而相变材料作为相变存储器（PCRAM）的核心存储介质,其性能的优劣将会直接影响到器件性能的好坏。传统的Ge-Sb-Te硫系化合物Ge2Sb2Te5（GST）虽是目前研究和应用较为广泛的相变存储材料,但其较差的热稳定性极大限制了进一步商用,是目前急需解决的问题。基于相变材料目前存在的问题,本文通过一种碱土金属元素钙（Ca）掺杂改性,Ca元素在相变材料领域尚无研究,旨在优化得到具有高热稳定性的相变材料。本论文主要的研究内容如下:1、研究了Ca掺杂的GST相变薄膜的结晶行为,热稳定性,及其晶态和非晶态结构。研究发现,掺入少量Ca（小于3.6 at.%）的GST,热稳定性变差,并且加速了两步结晶行为。但是,在更多的Ca掺杂的GST中,热稳定性显著提高,且两步结晶行为受到抑制。此外,XPS结果表明Ca与Sb或Te元素均不成键,Ca可以视为杂质原子掺杂在GST薄膜中。结合GST材料的快速结晶机制中的空位理论,可用来解释在掺Ca的GST薄膜中热稳定性的减弱和增强。适度Ca掺杂的Ca6.4（GST）93.6薄膜具有较好的热稳定性,结晶温度达到较高的182℃,同时又有较快的相变速度,可作为相变应用的潜在候选材料。2、研究了Ca掺杂的Sb2Te3材料的结晶行为及其电阻漂移现象。研究表明,通过Ca掺杂,Sb2Te3的热稳定性显著提高,其中Ca13.6（Sb2Te3）86.4表现出最高的结晶温度（225℃）,最大的结晶活化能（2.31 e V）以及最佳的十年数据保持力（121℃）。XPS结果表明,Ca也未与Sb2Te3中的元素（Sb或Te）成键,表明Ca也以杂质原子的形式存在于Sb2Te3。此外,在高Ca掺杂含量的Sb2Te3薄膜中发现了超低电阻漂移现象。尤其是Ca13.6（Sb2Te3）86.4薄膜,其电阻漂移系数仅为0.004,比已报道的GeTe薄膜低32倍。因其具有高热稳定性和超低电阻漂移系数,Ca13.6（Sb2Te3）86.4可作为候选相变存储介质以提高数据存储的稳定性和安全性。3、系统研究了Ca掺杂GeTe薄膜的热稳定性,结晶机制,微观结构,电阻漂移和光学特性。结果表明,Ca的掺杂可有效提高GeTe相变材料的热稳定性,其中,Ca4.0（GeTe）96.0的结晶温度高达245℃,活化能达到最大的5.57 e V,十年数据保持温度达到最高的176.9℃。通过JMA动力学分析,发现Ca的引入使生长占主导的GeTe转变为成核占主导结晶机制。XPS结果表明,Ca与Ge或Te原子不成键,仍以杂质原子的形式存在于GeTe网络结构中,少量的Ca通过占据GeTe材料中的结构空位,来增强其热稳定性。因其具有较高的结晶温度和较快的相变速度,较强的十年数据保持力,同时具有较低的电阻漂移系数,Ca4.0（GeTe）96.0材料可被视为潜在的优秀相变存储介质。
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