基于新型二元相变材料的相变存储器原型器件研究

新型二元相变材料In2Te3及Ga2Te3与传统的相变材料Ge-Sb-Te体系相比具有结晶温度高、组分简单及制备工艺易于控制等优点。本项目将利用脉冲激光沉积法及电子束蒸发技术制备这两类相变薄膜材料，利用高分辨透射电子显微术及X－射线精细结构吸收谱研究这两类材料的结构，并研究非晶态－结晶态之间转变的动力学过程，为研究基于该类材料的相变存储器原型器件的开关机理提供物理学依据。结合聚焦离子束刻蚀及磁控溅射技术制备相变存储器原型器件，系统研究这两类原型存储器件的有效直径、相变薄膜材料的厚度等因数对其开关特性的影响，研究脉冲电压的幅值及脉宽对其开关特性的影响，研究不同环境温度对原型存储器件开关特性、保持特性及开关寿命的影响；研究原型存储器件在不同的应力条件下的开关行为，保持特性及存储寿命；运用光刻、反应离子束刻蚀及化学力学抛光技术等微电子加工工艺制备8×8的相变存储器原型器件阵列。

本项目对二元相变材料GeTe4 、Sb2Te3 及三元相变材料Ge2Sb2Te5 (GST)的合成制备、基本物理参数、阻变特性及它们的应力和尺度效应开展了较深入的理论和实验研究，取得以下主要成果：合成制备了一种新的二元相变材料 GeTe4及其原形相变存储器件,它具有组分简单，结晶温度较高等优点; 合成制备了Sb2Te3 薄膜及单晶纳米带。应同行的要求对该材料在器件集成中的应力效应开展了理论和实验研究。实验结果表明，当压强由一大气压升至0.377GPa时Sb2Te3的电阻率下降24.9%。第一性原理计算表明压强增加可导致Sb2Te3晶格中的Te-Te键长度变小，从而引起禁带变窄，这导致了电阻率的下降，理论计算和实际测量结果半定量的符合；与中芯国际公司合作对GST应力效应开展了理论和实验研究,取得对器件设计和制作有重要意义的结果; 基于热力学计算建立了相变材料GST纳米管（线）和薄膜的相变行为随尺寸变化的理论模型，推导出了GST纳米管（线）和薄膜非晶-晶化发生的临界尺寸的表达式, 小于此尺寸时非晶-晶化反应将不可能发生。这一尺寸实际上就是器件小型化的极限。