本文關鍵詞：Sb富含ZnSb基相變材料的性能研究

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【摘要】：Sb富含近些年來,相變隨機存儲器(PRAM)被認為是最具潛力和應用價值的下一代非易失性存儲器之一。由于它具有不揮發(fā)性、讀寫速度快、循環(huán)次數高、器件尺寸小、抗輻射能力強,以及和現(xiàn)有的CMOS工藝相兼容等特點,進而被當今業(yè)內人士廣泛研究。然而,以傳統(tǒng)的Ge2Sb2Te5(GST)為存儲介質的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)電阻較小和熔點過高等。對于單一結構的相變材料而言,其非晶態(tài)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),通過組分優(yōu)化,開發(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材料,主要工作如下:(1)研究了新型的無Te二元Zn-Sb相變材料(Zn含量介于8.5~57.7 at.%之間)。從結構看,當Sb含量較多時,Zn-Sb薄膜析出單一的Sb晶相;當Zn與Sb含量的原子比大于等于1:1時,薄膜析出的是Zn Sb相,同時存在兩步析晶過程,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薄膜的結晶溫度和析晶活化能,但其相變速度并無明顯增加。其中,Zn Sb薄膜具備結晶溫度高(257°C)、析晶活化能大(5.63 e V)、十年數據保持力強(201°C)、熔點低(500°C)等特點。這表明Zn Sb薄膜是一種高熱穩(wěn)定的相變材料。(2)利用二元Zn Sb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。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Zn含量少于10 at.%時,薄膜析出的是六方Sb2Te相或Sb2Te3相;當Zn含量大于10at.%時,薄膜析出的是菱面體的Sb相。析出晶相的不同導致薄膜熱學、光學、電學等性能發(fā)生變化。其中,Zn Sb-Sb2Te系列薄膜兼?zhèn)鋃n Sb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,它具有較高的結晶溫度(約255°C)和較好的十年保存壽命(理論計算數據能在165.9°C的環(huán)境下安全地保存十年)。此外,該薄膜在70 m W的激光脈沖作用下完全結晶時間僅為58 ns。上述研究結果表明Zn28.6Sb53.7Te17.7是一種高熱穩(wěn)定性好且相變速度快的存儲薄膜。(3)深入分析了Zn Sb引入Sb Se薄膜后產生的一系列結構和相關物理性質的變化。Zn Sb的引入破壞了Sb-Se3/2結構,使得薄膜產生Zn-Se鍵,從而影響其光學、電學、熱學等性質。通過適量的Zn Sb摻雜(Zn19.0Sb45.7Se35.3),發(fā)現(xiàn)薄膜具有較高的結晶溫度(~250°C)、較大的析晶活化能(~8.57 e V)、較好的十年數據保持能力(~200.2°C)。與此同時,該薄膜的高晶態(tài)電阻(在300°C退火下約有3×103Ω/□)和低熔點(~550.2°C)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)定性的情況下同時提高相變速度(在70m W的激光脈沖作用下,其相變速度能達到85ns)。但過量的摻雜會引起上述性能極度惡化。(4)初步探究了某些金屬元素(如Sn、Bi、Al、Ag、In等)摻雜對Zn Sb相變薄膜所產生的影響。選擇其中具有代表性的Zn Sb-3Sn、Zn Sb-5Sn、Zn Sb-In、Zn Sb-Al薄膜進行結構及相變性能研究,發(fā)現(xiàn)其相變速度都有不同程度的增加,但十年數據保持能力略有下降。引入這些元素打破了Zn-Sb鍵的平衡,使Zn Sb的析晶行為發(fā)生改變,能有效抑制復雜的Zn Sb相析出。其中Zn Sb-Al和Zn Sb-5Sn還表現(xiàn)出多級存儲的能力。據此,某些金屬摻雜Zn Sb薄膜也可以成為理想的相變材料。特別是Zn Sb-Al(Zn35.0Sb30.3Al34.7)薄膜,其較小的表面粗糙度(RMS=1.654 nm)以及與GST相仿的厚度變化百分比(7.5%),這說明Al的引入能增加介質薄膜與器件電極間的接觸可靠性。
【關鍵詞】：相變材料 熱穩(wěn)定性 光電特性 Sb富含 ZnSb基
【學位授予單位】：寧波大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2;TP333
【目錄】：

• 引言6-7
• 1 緒論7-15
• 1.1 幾種新型非易失性存儲器7-8
• 1.1.1 鐵電存儲器7
• 1.1.2 磁阻存儲器7
• 1.1.3 阻變存儲器7-8
• 1.1.4 相變存儲器8
• 1.2 主流及四種新型非易失性半導體存儲器的性能比較8-9
• 1.3 相變存儲器研發(fā)歷程與應用前景9-11
• 1.4 相變存儲器原理11-12
• 1.4.1 擦過程11
• 1.4.2 寫過程11
• 1.4.3 讀過程11-12
• 1.5 相變材料及其存在的缺點12-14
• 1.6 本論文的研究意義及內容14-15
• 2 實驗與測試方法15-18
• 2.1 實驗原料15
• 2.2 實驗儀器15-16
• 2.3 薄膜性能表征手段16-18
• 3 新型二元Zn-Sb相變薄膜的結構及性能研究18-28
• 3.1 引言18
• 3.2 樣品制備18-19
• 3.3 結果分析與討論19-27
• 3.4 本章小結27-28
• 4 Sb富含Zn-Sb-Te相變薄膜的結構及性能研究28-50
• 4.1 引言28
• 4.2 ZnSb-Sb2Te相變材料的制備和性能表征28-39
• 4.2.1 樣品制備28-29
• 4.2.2 薄膜析晶行為及結構性能29-34
• 4.2.3 薄膜電學及熱學性能34-37
• 4.2.4 薄膜的光致相變性能37-39
• 4.3 ZnSb-Sb3Te相變材料的制備和性能表征39-45
• 4.3.1 樣品制備39-40
• 4.3.2 薄膜電學及熱學性能40-43
• 4.3.3 薄膜的光致相變及光學帶隙性能43-45
• 4.4 ZnSb-Sb2Te3相變材料的制備和性能表征45-48
• 4.4.1 樣品制備45-46
• 4.4.2 薄膜電學及熱學性能46-47
• 4.4.3 薄膜析晶性能47-48
• 4.4.4 薄膜的光致相變性能48
• 4.5 本章小結48-50
• 5 Sb富含的Zn-Sb-Se相變薄膜結構及性能研究50-59
• 5.1 引言50
• 5.2 樣品制備50
• 5.3 薄膜電學及熱學性能50-52
• 5.4 薄膜結構性能52-55
• 5.5 薄膜的光致相變性能55-58
• 5.6 本章小結58-59
• 6 金屬摻雜ZnSb基的薄膜結構及性能研究59-66
• 6.1 引言59
• 6.2 樣品制備59-60
• 6.3 薄膜電學和熱學性能60-61
• 6.4 薄膜結構性能61-62
• 6.5 薄膜光學性能62-64
• 6.6 薄膜表面性能64-65
• 6.7 本章小結65-66
• 7 研究總結與工作展望66-69
• 7.1 研究總結66-67
• 7.2 工作展望67-69
• 參考文獻69-76
• 在學研究成果76-77
• 致謝77-78
• 論文摘要78-79
• Abstract79-80

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