原子层级的Sb相变存储薄膜结晶动力学研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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原子层级的Sb相变存储薄膜结晶动力学研究
作者: irglass 时间: 2021-12-06 浏览:357 次

       近日,我室研究生冷文豪(第一作者)和指导老师陈益敏、沈祥研究员(共同通讯作者)在Applied Physics Letters上在线发表了题为“Crystallization kinetics of monatomic antimony”的论文(2021,119:171908,IF=3.791)。

       相变存储器因其具有非易失性、高速、低功耗、高集成度等特点,被认为是最重要的下一代非挥发性存储器之一。近来,基于传统相变材料Ge2Sb2Te5(GST)的相变神经元被开发用于人工神经网络进行深度学习和复杂计算。然而,GST在长期SET/RESET的循环操作过程中存在明显的元素电迁移现象,从而导致成分偏析,最终造成器件失效。Salinga等人曾报道一种基于爆发性结晶行为的单质元素锑(Sb)的超薄薄膜(<10nm)可作为无成分偏析的相变材料,但其热稳定性极差,数据只能在室温下保持几十个小时,严重阻碍其实际应用。据此,本研究开展具有良好热稳定性的“原子层级”Sb薄膜制备及其结晶动力学研究。通过精准调控磁控溅射参数,制备获得仅有3nm厚度的高质量二维受限Sb相变薄膜,发现其非晶态热稳定性得到显著提高,结晶温度为453 K,结晶活化能为2.68 eV,十年数据保持温度为361 K(结果如图1所示),上述性能都略优于GST。随后,引入介电层SiO2制备获得[Sb(3nm)/SiO2(5nm)]32多层复合周期薄膜,结合闪速DSC以及广义Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan粘度模型对该二维受限Sb薄膜进行结晶动力学研究,发现在大幅提升热稳定性的前提下,二维受限Sb薄膜仍具有快速结晶能力(在0.87Tm处具有最大结晶速率2.17 m s-1,结果如图2所示),且其过冷液脆度为90,Stokes-Einstein解耦系数为0.63,上述结果都与GST相似。也就是说,通过二维受限制备获得“原子层级”的无成分偏析的Sb薄膜,具有与典型GST材料相似的结晶动力学行为,表明该材料可用于制备高速、高集成度、高循环特性的“三高”相变存储器,这也为单质元素用于相变存储提供了新思路。

图1.不同厚度Sb薄膜的(a)方块电阻与温度的依赖曲线,(b)十年数据保持能力。

图2. 二维受限Sb材料的(a) Angell图和(b)结晶生长速率与温度的依赖曲线。