GeTe基新型纳米复合多层相变薄膜的可控制备与性能研究

How to make phase-change materials both have fast phase-change speed and good thermal stability is the key problem that needs to be solved in the development of phase-change memory. To develop novel phase-change materials plays a crucial role in improving the performance of phase-change memory. GeTe-based novel nanocomposite multilayer phase-change films are taken as the research object in the given project. In order to effectively modulate the phase-change speed, thermal stability, and thermal conductivity, and so on, the relationship between the layer thickness, periodicity, and these properties are revealed. Phase-change dynamic processes of GeTe-based novel nanocomposite multilayer phase-change films are introduced in the research. The composition uniformity and interface thermal stability of the multilayer films are investigated. The interaction mechanism between the layers in the multilayer periods is clarified. The aim of the project is to exploit novel phase-change materials with fast speed, good thermal stability, high density, and low power consumption for phase-change memory applications.

如何使相变材料同时具有快的相变速度和良好的热稳定性已成为相变存储器研发中急需解决的关键问题，新型相变材料的研发对于提高相变存储器的性能起到了至关重要的作用。本项目以GeTe基新型纳米复合多层相变薄膜为研究对象，通过揭示GeTe基纳米复合多层相变薄膜层厚度、周期数和相变特性、热稳定性、热导率等性能之间的关联，实现对其性能的有效调控。通过分析GeTe基纳米复合多层相变薄膜的相变动力学过程，对多层薄膜组分的均匀性和界面的稳定性进行研究，阐明纳米复合多层相变薄膜周期中层与层之间的相互作用机理，旨在开发出满足于相变存储器的高速、热稳定、高密度以及低功耗的新型相变材料体系。

本项目通过系统深入的研究，开发出了具有高热稳定性、高密度、低热导率和低功耗的GeTe基纳米复合多层相变薄膜，获得了性能优异的相变存储器件。在项目组成员的共同努力下，顺利完成了项目任务，发表SCI论文4余篇，申请专利1项。获得的主要研究成果如下：（1）开发了一种具有自主知识产权的Si/GeTe纳米复合多层相变薄膜材料，通过调节层厚度比可以实现对多层薄膜结晶温度和结晶激活能的有效调控，并且[Si(8nm)/GeTe(10nm)]3纳米复合多层薄膜在相变前后的厚度变化为4%。（2）对Ga30Sb70/GeTe纳米复合多层薄膜进行了深入系统的研究，[Ga30Sb70(4nm)/GeTe(10nm)]4多层薄膜的10年数据保持温度达到162℃。通过优化和调整多层薄膜结构，具有特定厚度的Ga30Sb70/GeTe多层薄膜存在多级相变行为。利用皮秒激光脉冲辐照可以实现Ga30Sb70/GeTe多层相变薄膜同一点上的可逆循环相变，且晶相态和非晶态之间光学反射率变化达到30%。（3）对Ga30Sb70/SnSe2纳米复合多层薄膜多态存储行为进行了研究，制备了基于Ga30Sb70/SnSe2多层薄膜的原型器件， [Ga30Sb70(25nm)/SnSe2(25nm)]1的相邻两级电阻差分别达到了100倍和10倍，能够满足器件开关比的要求。（4）对Ge2Sb2Te5/SnSe2纳米复合多层薄膜相变行为进行了研究，多层薄膜的结晶温度随着Ge2Sb2Te5层厚度的减小而升高，瞬态光激发引起的[Ge2Sb2Te5 (4nm)/SnSe2(10nm)]11可逆相变过程的相变时间分别为33ns和35ns，是前景广阔的高速PCRAM候选材料。（5）采用相干声子光谱对[Si(5nm)/Sb80Te20(5nm)]x纳米复合多层薄膜飞秒激光诱导晶化阈值随着周期数变化趋势进行了研究，多层薄膜飞秒激光辐照的晶化阈值随着周期数的增加而减小，并对其产生的机理进行了研究。（6）对新型Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层薄膜周期中Ga30Sb70层厚度对相变特性的影响进行了研究。结晶温度可以通过周期中Ga30Sb70层厚度进行调节，且随着Ga30Sb70层厚度的增加而升高，多层薄膜的光学带隙随Ga30Sb70层厚度的增加而增大，并采用皮秒激光脉冲泵浦光探测技术研究了多层薄膜的瞬态结晶动力学过程。