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原位掺杂实现亚稳存储薄膜绝缘-金属转变及修复纳米空洞
作者: irglass 时间: 2020-06-01 浏览:2,245 次

       6月1日,我室相变研究团队的研究论文 “The realization of insulation-metal transition in a p-type metastable ZnSb by dual-phase nanostructure”,在中科院SCI期刊分区( 2020年01月最新升级版)大类1区学术期刊Scripta Materialia 在线发表 (186(2020)163-168, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.05.034)。论文第一/通讯作者为我室青年教师王国祥副研究员,合作作者为德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk教授。这是自2018年双方实现互访合作以后发表的第六篇高级别水平论文。

       随着大数据、云计算的发展,海量数据存储将对存储器的存储密度提出了更高的要求,在现有的“0”和“1”两态基础上发展具有亚稳态的存储材料,是相变存储器研究的一个前沿领域,但多值存储器重点应解决亚稳态中纳米空洞缺陷影响其循环稳定问题。本文提出并制备了由双相调控的纳米复合结构的存储介质,通过有效地调控了初始化退火温度与原位电阻变化(dρ/dT),揭示该类薄膜中亚稳晶体结构稳定析出与薄膜厚度存在的内在依赖关系如图1a-b。在ZnSb薄膜中原位掺杂稀土Er后有效地形成了ErSb和ZnSb双相,这不仅有助于亚稳ZnSb存储薄膜实现绝缘-金属转变(IMT)行为,增加其IMT的温度如图1c所示,还能提高其迁移率和载流子如图1d, 为获得高迁移率与高态密度的存储器件提供了半导体新材料体系。此外,Er掺杂还有效抑制亚稳ZnSb薄膜在循环操作过程中出现的纳米空洞问题,能很好地修复纳米空洞缺陷使得相变过程更加的可控。利用高分辨透射电镜分析和元素映射揭示了纳米晶界面中空洞获得自修复特性的主要原因是由于相变过程中Er元素的均匀填充,以及其形成稳定的双相纳米复合结构如图2。这不仅有望降低相变存储器件亚稳态的阻值波动和漂移,而且有望研发具有自愈能力的多值相变存储器。

图1 经不同温度热处理后的薄膜电阻率与原位测试温度的关系:(a)100nm ZnSb,(b) 50nm ZnSb, (c) 50nm Er5.6(ZnSb)94.4;(d) 50nm ZnSb和50nm Er5.6(ZnSb)94.4绝缘-金属转变过程中载流子和迁移率随退火温度的变化

图 2 (a-e) Er-ZnSb薄膜纳米双相结构的形成与 (f-i) 元素扩散分布过程