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超高热稳定且低电阻漂移的Sb-Se相变薄膜
作者: irglass 时间: 2024-06-05 浏览:145 次

       近日,我室研究生何安逸(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 Sb phase change thin films with high thermal stability and low resistance drift by alloying with Se”的文章,文章链接:https://doi.org/10.1063/5.0207259。

       硫系相变存储材料能够通过调控非晶相与晶相体积占比的方式实现信息存储,在非易失性信息存储和神经元计算等领域展现出巨大潜力。然而,信息存储过程中相态饱受器件电阻漂移的影响,易呈现循环不稳定性。目前,作为经典的相变材料是具有两步结晶的三元Ge-Sb-Te(GST)。然而,由于其成核占主导的结晶机制使其再结晶过程中存在较高的成核随机性,并且在反复循环过程中,RESET态极易因元素扩散等产生电阻漂移,这极大影响了存储稳定性。与复杂的二元或三元相变材料相比,单一Sb相变材料具有低电阻漂移的特点,结合其特性,同时通过掺杂元素来提高其热稳定性,有望获得兼具超高热稳定且低电阻漂移的新型相变材料。

       本研究工作,采用磁控溅射法使用Sb2Se3与Sb靶材同时进行溅射,实现了Sb与Se在纳米尺度下合金化。深入研究了不同Se配比的情况下,薄膜的电阻漂移与热稳定性变化。结果表明在不同的组成中,Sb86.6Se13.4薄膜表现出优异的性能,包括高的结晶温度、高的十年数据保持温度(~116.3℃)、大的活化能(~3.29eV)和最低的电阻漂移系数(0.004)。进一步微观结构分析,由于Sb86.6Se13.4与GST合金相比具有更为优异的非晶形成能力,在250°C下,Sb86.6Se13.4薄膜中形成了<012>t-Sb相,而在300°C下形成了Sb18Se和Sb2Se3相。研究表明,Se掺杂能够诱导Sb原子的顺序和定向迁移,导致形成了富Sb的Sb18Se和富Se的Sb2Se3相,为获得兼具超高热稳定且低电阻漂移的相变存储器件提供了新材料储备。

图1(a)Sb、GST、Sb2Se3和SbxSe100-x薄膜的薄层电阻随温度的变化。(b)SbxSe100-x和GST薄膜的Arrhenius拟合图用于估计结晶活化能和10年数据保持温度。(c)在50℃的温度下测量的非晶Sb2Se3、GST和SbxSe100-x薄膜的电阻随时间的变化。

图2 Sb86.6Se13.4薄膜在300°C退火后的微观结构研究。(a)BF-TEM图像和(b)Se的相应定量EDS图。Sb-Se相的组成被插入到图像(b)中。(c)和(d)中的Sb2Se3晶粒的HRTEM显微照片如(a)所示。e-SiOx是用于制备FIB薄片的电子束沉积的SiOx保护层。(a)中的箭头标记衬底/薄膜界面处的空洞。