信息存储合金锗锑碲高速晶化动力学研究

Phase-change memory (PCM) alloys have been widely used in optial memory storage. Because of the extremely fast crystalline-amorphous transition, they are also expected to play a vital role in next-generation nonvolatile microelectronic momory devices. Compared to amorphization, crystallization, which takes up 90% of the whole circle period,is the real bottleneck for the device performance.However, at present the microsopic mechanism for such crystallization is still not clear.No doubt it would constraint the desigen of the new PCM materials and the development of the related technology. Based on our former PCM research, in this proposal our aim is to set up the general atomic model on the crystallization for typical Ge-Sb-Te PCM alloy by first-princples calculation and ultrafast specturm. The main contents include the relationship between the structure,optical/electrical signal,lattice phonon for every state and its electronic structure; the molecular dynamics study on the heat induced crystallization progress; the effect of electronic excitation and electric filed on crystallizatoin. We expect by the research above the microscopic picture of the crystallization for PCM alloys can be clearly uncovered and it will offer important suggestions for the development of PCM technology in China.

相变信息存储合金因其非晶相与亚稳晶相高速可逆切换且大光电信号对比，在光存储和下一代非挥发微电子存储具有重要技术价值。与非晶化相比，晶化过程占据相变循环90%以上时间，因而是提高该技术性能最为关键的物理过程。然而，目前人们对相变存储材料晶化机制的认识尚处于初步探索阶段，这显著制约了新材料开发及相关存储技术的快速发展。本项目在申请人良好前期研究基础上,拟利用第一性原理分子动力学及超快光谱技术，尝试建立最具代表性的信息存储合金GeSbTe的晶化动力学微观原子模型。具体研究内容包括GeSbTe各相静态结构的光电信号、晶格振动特性与其电子结构关联的理论研究；热效应诱导的晶化过程分子动力研究;兼容考虑电子激发效应、电场效应影响的晶化过程分子动力学研究；晶化动力学的超快光谱实验验证研究。通过上述探索明晰相变存储合金晶化动力学微观原子机制及规律，为我国在该领域材料设计及存储技术的自主创新提供重要建议。

晶化过程是影响相变存储器件核心物理过程，其时间一般比非晶化过程长一个数量级，因而决定相变存储器件的整体工作速度。本项目的最终目标是通过深刻理解相变存储材料的结晶微观原子图像，为我国在该领域材料设计及存储技术自主创新提供智力支持。本项目基于第一性原理方法和相关实验技术在探索旗舰材料体系GeSbTe晶化动力学规律基础上，探索了GeCuTe、SiSbTe、CGeSbTe、GeTe/Sb2Te3超晶格等新型相变存储材料超快相变机理；开发了全新TiSbTe超快晶化相变存储材料，晶化速度被韩国三星公司和斯坦福大学列为领域重要指标，其中过度金属调控相变循环研究思路助力我国科学家在《科学》杂志上的重大发现，同时助力我国TiSbTe相变存储集成电路芯片的自主创新。在项目的资助下，课题负责人张绳百教授与课题核心承担人李贤斌副教授在包括Nature Comm.、Phys. Rev. Lett.、Nanotoday、Acta Mater. 等著学界顶级期刊上发表SCI研究论文21篇。上述成果作为特邀报告在国际半导体物理大学、中国半导体物理会议、中德电子存储材料会议做演讲，受到国际同行的广泛关注，根据谷歌学术统计相关研究论文过去四年一共引用239次。研究成果曾被《科学通报》、《材料人》、《材料牛》等科学媒体报道4次。在人才培养方面，博士生王丹获吉林大学学术菁英一等奖；博士生王雪鹏在33届国际半导体物理大会和英国剑桥大学举办的欧洲相变存储学会会议上获最佳学生报告奖。