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Ti-Sb2Se3相变薄膜超低电阻漂移的结晶动力学研究
作者: irglass 时间: 2023-10-09 浏览:3,691 次

        近日,我室研究生吴彤(第一作者)和王国祥研究员(通讯作者)在期刊Applied Physics Letters(IF=3.879)上在线发表了题为“Development of Sb2Se3 alloys by Ti-doping with ultra-low resistance drift and improved microstructure for non-volatile memory applications”的文章,文章链接:https://doi.org/10.1063/5.0160884

       基于硫族化物的相变存储器(PCM)不仅具有纳秒级擦除/写入速度、更长的循环寿命(>109-12次)、高精度、更好的耐用性等优点,还可以通过交叉阵列结构实现高密度集成,有望应用于相变神经元突触器件中。但是,相变材料初始非晶态与非晶化后熔融淬火态有所不同。因此,随后的再结晶和非晶化过程也不同,使得PCM经反复操作后难以准确记录每个初始存储状态。

       Ge2Sb2Te5(GST)是目前公认的传统相变介质层材料,但是其以成核主导的结晶机制导致材料在整个再结晶过程中具有高度的成核随机性。在循环操作期间,非晶电阻会发生显著变化,导致 RESET 状态出现相当大的电阻漂移行为。相变材料GST的漂移系数达到~0.11,高于理想值0.01。因此,现有基于GST的PCM器件的电阻漂移行为容易造成阻态无法精准调控,不利于多级存储稳定可控。相比之下,以生长型为主结晶机制的锑基相变材料,因具有极低的电阻漂移已备受关注,但是其非晶热稳定性较差,且材料的电阻漂移与结晶行为和微观结构演变间的内在关系有待进一步阐明。

       本研究工作,采用磁控溅射法制备了Sb2Se3和Ti掺杂Sb2Se3相变薄膜。深入研究了Sb2Se3和掺杂Ti的Sb2Se3薄膜的电阻漂移与结晶行为之间的关系。结果表明,当Ti掺杂浓度达到5.4at%时,Ti5.4(Sb2Se3)95.4薄膜表现出较高的热稳定性,结晶温度为225℃,十年数据保持温度为129.5℃。这有利于将电阻漂移系数从 Sb2Se3 的 0.067 降低到 Ti5.4(Sb2Se3)95.4 的 0.002。进一步的微观结构分析表明,Ti 掺杂 Sb2Se3 薄膜中晶粒生长过程受到抑制,且 Ti-Sb 和 Ti-Se 键的形成则增强了非晶 Ti 掺杂薄膜的稳定性。此外,Ti 掺杂改进了材料的结晶机制,呈现出一维生长主导的结晶模式,与 Sb2Se3 相比成核指数降低至0.37。本研究为有效降低硫族化物相变材料中的成核随机性研究扩展了新视野。

图1(a) 在30 °C/min的加热速率下,含有不同Ti浓度的Sb2Se3和Ti掺杂Sb2Se3薄膜的电阻与温度的关系;(b)纯Sb2Se3和Ti掺杂Sb2Se3薄膜的失效时间与温度导数的关系图;(c) Ge2Sb2Te5、Sb2Se3、Ti2.9(Sb2Se3)97.1和Ti5.4(Sb2Se3)94.6薄膜的电阻与时间的关系

图2 (a) Ti5.4(Sb2Se3)94.6在升温速率从10到50℃/min时的电阻温度变化曲线,其中插图是210到260℃范围内的电阻温度变化曲线;(b)反映薄膜结晶程度的结晶度分数(X)变化曲线;(c)用Ozawa拟合表征结晶行为的结晶动力学指数n;(d) Sb2Se3、Ti2.9(Sb2Se3)97.1和Ti5.4(Sb2Se3)94.6薄膜的结晶动力学指数n在205~225℃之间的变化曲线

图3 (a) Ti5.4(Sb2Se3)94.6的高分辨透射电子显微镜图像;(b)和(c)从(a)中选择两个区域的高分辨透射电子显微镜图像;(d)在非晶态和结晶态之间的界面处的高分辨透射电子显微镜图像;(e)从(d)中选择一个区域的高分辨透射电子显微镜图像。