基于同步辐射XAFS方法对相变存储材料Al-Sb-Te薄膜相变机理的研究

Phase change memory is considered to be one of the most potential candidates for the next generation memories because of its advantages, such as high cycling capability, small cell size, low cell energy consumption and fast reading/writing speed. As the storage media of phase-change memory, the study on properties of phase change material has been the main research content of phase-change memory technology. In this project, structural changes in Al-Sb-Te phase change films are mainly investigated by synchrotron radiation X-ray absorption fine structure spectroscopy integrating with other test methods (synchrotron radiation X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy technique and Raman technique). The local bonding environment of amorphous and crystalline phase of the material is measured. By fitting analysis, get specific bonding configurations and discuss the structural transition mechanism of the material. Based on the reliable structure of the material, first principles calculations are used to optimize the structure for a better understanding of the phase change mechanism of the material. This project aim to provide experimental evidence and theoretical support for the structural and performance research of Al-Sb-Te phase change material.

相变存储器具有循环寿命长、元件尺寸小、功耗低和高速读取等诸多优点，被认为是最具潜力的下一代半导体存储器件，具有巨大的商用价值及应用前景。作为相变存储器的存储介质，相变存储材料性能的研究一直是发展相变存储器技术的主要内容。本项目主要采用同步辐射X射线吸收精细结构方法结合其它结构测试手段（同步辐射X射线衍射、X射线光电子能谱技术、拉曼技术）研究Al-Sb-Te体系相变薄膜材料。探测体系在非晶态及晶态相的元素离子价态、占位及局域结构，通过拟合分析，得到可靠的原子结构信息，解析材料相变机理。在此基础上构建模型，开展第一性原理计算进行结构优化，深入理解材料相变机理，为Al-Sb-Te体系结构及性能研究提供实验依据和理论支持。

随着信息技术的快速发展，相变存储器以其读写速度快、可擦写次数多、结构简单、不挥发性以及与现有的CMOS工艺兼容等优点，被认为是最有可能成为未来可通用的不挥发存储器技术之一。相变存储器的核心是相变材料，目前业界应用最广泛的是GeTe(x)-Sb2Te3(1-x)体系材料。该体系是调节GeTe和Sb2Te3的不同比例以获得伪二元的化合物。Sb2Te3是GeTe(x)-Sb2Te3(1-x)体系的重要组分，对其掺杂不同元素以改进其存储性能的研究一直是发展相变存储材料体系的主要内容。. 本项目主要采用同步辐射X射线衍射原子对分布函数方法得到了Sb2Te3薄膜材料以及Al、Ti元素掺杂Sb2Te3薄膜材料的结构因子曲线。通过逆向蒙特卡洛程序模拟得到薄膜材料的结构模型。并结合实验室常规测试手段，如X射线光电子能谱，拉曼等测试方法进行分析，得到薄膜材料的局域结构信息。.Sb2Te3薄膜相变材料的研究结果表明，材料模型中主要的局域结构单元是Sb2Te3和Sb2Te4，且局域结构主要为存在空位的八面体结构。模型中存在大量的Sb-Sb键和Te-Te键。材料晶化过程中，伴随着局域结构中Sb-Sb、Te-Te键逐渐断裂和Sb-Te键的形成，Sb和Te原子的配位数逐渐增加，结构更加稳定，原子排布逐渐向具有高对称性的长程有序结构发展。. AlSb2Te3薄膜相变材料的研究结果表明，当Al掺杂量较低时，Al原子并未破坏Sb2Te3结构而只是造成了轻微的畸变，这能够抑制–Te–Sb–Te–Sb–Te–长键的生成从而改善Sb2Te3相变材料的热稳定性。而Al的掺杂量过高会导致生成杂项，例如Al2Te3, 存在于Sb2Te3晶粒周围，抑制了Sb2Te3的相变。基于以上分析，Al掺杂Sb2Te3这一系列相变材料, 优化Al 的掺杂量是获得该体系材料较好热稳定性及良好存储性能的关键。. 本项目旨在探测Sb2Te3及其Al、Ti元素掺杂体系薄膜材料在非晶态及晶态相的原子占位及局域结构，并通过拟合分析，构建原子结构模型息，从而解析材料相变机理，为Sb2Te3及其元素掺杂体系材料的结构及性能研究提供实验依据和理论支持。