Sb基相变材料的超低电阻漂移机制研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
研究进展
首页 > 研究进展
Sb基相变材料的超低电阻漂移机制研究
作者: irglass 时间: 2023-05-26 浏览:1,390 次

       近日,我室研究生朱晋毅(第一作者)与焦玉成(第一作者)在导师王国祥特聘研究员(通讯作者)指导下分别在Ceramics International Journal of Alloys and Compounds期刊上发表了题为“Monatomic Sb thin films alloyed with Sb2S3 enables superior thermal stability and resistance drift by spontaneous self-decomposition” (2023, 49(12):19960-19965. IF= 5.532.)和“Designing Sb phase change materials by alloying with Ga2S3 towards high thermal stability and low resistance drift by bond reconfigurations” (2023, 953:169970. IF=6.371.)的论文。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.117 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169970

       基于非易失性相变存储器(PCM)的人工突触器件制备工艺相对成熟、在存储器领域表现出高耐受性、高数据保持性、易于大规模互连集成、与CMOS电路兼容等诸多优势在类脑神经芯片中备受青睐。然而,PCM器件的SET操作(结晶)和RESET操作(非晶化)会导致大的电阻波动,并且在室温下存在电阻漂移现象,影响了突触器件的精度和稳定性。纯Sb薄膜具有单一元素组成、快速结晶、非晶态和晶态之间电阻对比大等优点,并且4纳米厚的纯Sb薄膜表现出低漂移系数(v=~0.003)。然而,由于其爆炸性的结晶机制,纯Sb薄膜很难达到稳定的非晶态。这个问题限制了Sb薄膜在多级数据存储设备中的应用。因此,探索材料调控Sb基相变神经元基质材料,提升薄膜的热稳定性并且减少电阻漂移系数,有利于为高性能神经元计算芯片的研发做出贡献。

       本研究工作,利用Sb2S3和Ga2S3改善了Sb的热稳定性及电阻漂移性能,解决了结晶速率与热稳定性相矛盾的缺陷。在图1中,可以发现Sb2S3和Ga2S3使得Sb薄膜的热稳定性大幅度提高,最高结晶温度增幅到250℃,并且十年数据保持温度达到166℃,提高了薄膜长期使用的稳定性,完全适用于消费性电子产品等。图1 (c,f)展示了Sb2S3和Ga2S3大幅度降低了Sb薄膜的电阻漂移系数,最低可达到0.0014,显著降低了薄膜发生自发结构弛豫的现象,提高了多次读写操作后的信息读取精度。在结晶动力学实验中(图2),测试出其平均结晶动力学指数为0.625,属于一维生长型结晶机制,具有更快的结晶速率。TEM图显示出为Sb及Sb2S3混合纳米结构,使得薄膜产生自组装亚稳分解过程并限制晶粒生长,所以单元素Sb的稳定性可以得到加强。根据EDX,蓝色和红色区域的成分是不均匀的。分布在蓝色区域的主要元素是97.5 at. %的Sb和2.5 at. %的S,而在红色区域的主要元素是67.8 at. %的Sb和32.2 at. %的S。这种明显的组分波动意味着富含Sb的Sb-S薄膜进行自发的自我分解并显示出纳米限域效应,从而提高了Sb的热稳定性。

1(a,d)纯Sb、Sb2S3、Sbx(Sb2S3)100-x、Sbx(Ga2S3)100-x和GST薄膜的电阻与温度的关系; (b,e) Sbx(Sb2S3)100-x、Sbx(Ga2S3)100-x薄膜的失效时间与温度倒数的关系图; (c,f) Sb2S3、Sbx(Sb2S3)100-x、Sbx(Ga2S3)100-x和GST薄膜电阻与时间的关系

图2 (a) Sb64(Ga2S3)36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230到270℃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)结晶动力学指数n在241~255℃之间的变化曲线

图3 (a) 250℃退火的Sb71.2(Sb2S3)28.8薄膜的SAED图案和 (b) BF-TEM图像;(c) 取自(b)放大后的BF-TEM图像晶体以及取自(c)的选定三个区域1-3(d-f)的HRTEM图像;(g) 250℃退火后的Sb71.2(Sb2S3)28.8薄膜的BF-TEM图像;(h)-(i) 相应的EDX元素分布图,绿色为S,黄色为Sb