相变材料及其在非易失性存储器中的应用外文翻译资料

 2022-08-25 21:37:48

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

相变材料及其在非易失性存储器中的应用

  1. 介绍

相变材料是指至少存在两个结构上不同的固相，一个非晶相和一个(或多个)晶相的材料。许多材料在这种意义上表现出相变特性，至少可以作为非晶相(低温沉积，甚薄膜)或者晶相(高温沉积，外延)的薄膜沉积。由于非晶相与晶相在结构上的巨大差异，它们往往具有非常不同的光学和电学性质。如果可能的话，两相之间反复切换物料，并且两相工作温度稳定，那么这些差异可以应用在技术应用程序中存储信息。通过将材料加热到高于结晶温度一段足够长的时间使其结晶，亚稳态非晶相转变为能量上有利的、稳定的结晶相。相反的操作是熔融结晶材料并迅速淬火，使其凝固成无定形。相变材料目前主要有两种应用:一种是成熟的可重写光学相变存储技术(可重写光盘、数字通用光盘和蓝光光盘)，另一种是新兴的相变随机存取存储器(PCRAM)技术。加热是利用激光脉冲在光学应用和电流脉冲导致焦耳加热PCRAM结构。相变开关原理原理图如图1所示。结晶操作要求速率达到某值，因为某些材料结晶需要很长时间，而熔融淬火需要固有的速率;否则，材料在冷却过程中会再结晶。熔体淬火在一定条件下才能操作,因为足够的电力需要交付给加热材料熔化温度以上,对相变材料通常是500到800 °C。读取操作分别测量光存储中使用低功率激光脉冲的反射率和PCRAM中使用小电流脉冲的电阻率。读取脉冲太低，不会引起任何相变。

相变材料如果能满足大量依赖于其应用的材料要求，那么它在技术应用中是有用的。这些需要同时实现的参量因素是很难实现的，有时似乎是矛盾的。例如，基于相变材料的存储技术要求书写过程时非晶相的结晶速度非常快(纳秒级)，但非晶相对自发结晶的稳定性非常高(存档寿命为10年)。这些响应时间相差了17个数量级。由于这些原因，只有很少的材料是技术上有用的相变材料，从基于相变材料的技术的发现和提出到实际的技术实现之间花了几十年的时间，因为早期相变材料只满足了需求的一个子集。

基于相变材料的光学数据存储始于发现了一类相变材料(含Ge、Sb和Te的半导体合金)，这种材料显示出所需的快速结晶时间，限制了光学存储中的数据速率。这是一项成熟的技术，今天已经通过几代产品(可重写的紧凑磁盘，数字多功能磁盘DVD(RW和DVD，以及最近的蓝光磁盘)。它引发了人们对基于相变材料填充物的固态存储器发展的新兴趣。为了开发PCRAM，许多公司和大学都进行了大量的研究和开发工作。BAE公司宣布了一款4兆比特内存芯片的全飞行生产计划，该芯片将用于太空应用，因为PCRAM本身具有很强的抗辐射能力。相变材料是PCRAM开发中的一个(如果不是最重要的)重要问题;这也是本期《电子材料》中这篇文章的原因之一。

这篇文章将首先描述相变材料的历史。第二部分是相变材料的性质研究。相变材料的结构性能是其性能差异较大的原因，本文将对其进行详细讨论。结晶速度等转换特性对工艺应用具有重要意义，后续将予以论述。光存储需要特定的光学性质，如两相的光学常数相差较大，而良好的PCRAM材料需要不同的材料参数集(如两相电阻率相差较大)。相变材料的光学和电学特性将在论文的下一部分进行描述。一种技术只有在它可以扩展到几个未来的技术节点时才是可行的(半导体技术节点定义为该技术制造的任何产品上的接触金属线的最小半节距)。本文将展示相变材料的材料参数是如何随着尺寸的缩小而变化的，以及尺寸相变技术可以缩小到什么程度。论文的第三部分讨论了相变技术:光存储、PCRAM以及相变材料、可重构逻辑或认知计算)未来可能的应用。

2.相变材料的历史

不同阶段的材料在许多技术应用中得到了应用。例如，碳以金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯、石墨烯和无定形类金刚石的形式存在，所有这些不同形式的碳都具有某种独特的用途。将相变材料分两个不同阶段用于技术应用是Ovshinsky在1968年提出的，相变材料最重要的特性之一(用于PCRAM应用)是所谓的阈值开关，将在6.4节中详细介绍。在19646年，As-Te-I和其他合金(包括1966年As-Te-Se合金)的阈值开关(没有内存开关)被描述。Ovshinsky报道了使用一种由48 %Te原子、30 %As原子、12 %Si原子和10 %Ge原子组成的材料在高电阻和低电阻状态之间进行重复阈值切换的实验。这种合金也没有显示内存切换，但据报道，其他合金的内容减少，有内存切换的影响。他认识到数据存储的潜在技术含义，并在1966年描述了阈值和内存切换，并为PCRAM的许多可能的设备配置申请了专利。他对相变材料历史的看法见文献9。

1971年Feinleib等人报道了第一种相变材料的光学开关。在微秒尺度上演示了Te81Ge15Sb2S2薄膜的激光诱导开关。图2显示了由文献10所展示的激光脉冲产生的晶体点的电子显微图。1978年，Burroughs公司报告了关于1024位芯片原型制造的数据，但该数据从未商业化。

延迟商业化的主要原因是这些早期合金在微至毫秒范围内结晶速度缓慢，且其循环能力有限。Yamada等人在GeTe和Sb2Te3之间的伪二进制线上发现了快速开关合金，取得了重大突破。这些合金不仅结晶时间短，而且在多种波长下具有较大的光学对比度和良好的旋光性。这一发现引发了相变光存储技术的全面发展。相变光存储技术是当今最流行的可重写媒体技术，而可重写的Bluray磁盘是最新的产品。第一款产品由松下电器公司(PanasonicCorporation)于1990年推出，容量为500MB，1998年推出可重写DVD，2003年推出蓝光光碟。这些产品大多采用了基于伪二元GeTeSb2Te3材料的合金，但也发现了第二类合金具有快速开关特性:掺杂Sb2Te。掺杂剂通常存在于Ag中，这些材料也用于可重写的CD、DVD和蓝光光盘中，并于1997年首次引入。

这种光学相变技术的快速成功发展，重新引起了人们对PCRAM技术的兴趣。BAE系统公司是1999年开始开发PCRAM技术的首批公司之一，并在2009年宣布了大规模制造计划。许多其他公司，如三星、英特尔、IBM、Macronix和意法半导体等，在21世纪初开始研究和开发项目来制造PCRAM。在过去的几年中，该领域的专利申请数量急剧上升，2000年以后90 %以上的专利申请。自2006年以来，这一数字每年都在100以上。

显然，新材料的发展是光学相变技术发展的决定性因素。然而，为光学存储优化的材料不一定是PCRAM技术的最佳选择。在此基础上，为了更好地理解结晶机理，为PCRAM设计新的相变材料，人们付出了巨大的努力。本文将总结我们目前对相变材料性能的认识，并描述其应用。

3.相变材料的结构性能

3.1晶体状态的结构性质

相变材料在非晶向晶相转变时，其物理性质发生变化。非晶相具有高电阻率和低反射率的特点，而晶相具有低电阻率和高反射率的特点。因此，相变材料中不同相内的结构，特别是结构的差异是非常重要的。然而，特别是非晶相的结构特性是非常难以研究的。这一阶段不仅缺乏对固体科学家了解材料性质有很大帮助的长期顺序和周期，而且很难获得许多实验所需的数量。这是因为相变材料是不好的玻璃成型剂，因此很容易结晶而不是冻结在玻璃状态。一方面，这是人们对这些材料感兴趣的一个重要原因，因为它导致了快速相变;另一方面，它使结构分析复杂化。因此，非晶相的许多结构特征直到最近才被揭示出来，或者仍然是一个研究课题。

在接下来的文章中，我们描述了一些典型相变材料在晶体、液体和非晶相中的结构特性。这里的重点是位于伪二进制线GeTe-Sb2Te3上的组合(参见图3)，因为如前所述，这些材料启用了相变光存储技术。

典型的材料，如Ge1Sb2Te4，GeTe，或Sb2Te3，不仅表现出非晶相转变，而且表现出两种不同的晶相。这将举例说明最简单的相变材料，二元组成GeTe高温超过400 ℃，GeTe展品的岩盐结构,如图4所示,它由两个fcc的质子转移了一半的晶格参数在彼此的每个方向(0.50.50.5)上,以及描述晶体空间群Fm3m(225号)。一个亚晶格被碲原子占据，另一个被锗原子占据。在较低温度、溶阶段也发现所谓的亚稳相后退火非晶GeTe薄膜在180 °C。事实上，在相变数据存储的关键相变过程中，材料在非晶结构和亚稳态岩盐结构之间进行切换。然而，在较低温度的基态下，GeTe采用了一个三元相(spacegroupR3m,No.166)，可以描述为岩盐结构，沿[111]方向冻结在一个震动量子中，发生了轻微的畸变(参见文献18)。图5显示了原始细胞中岩盐和三角相的对比。三方晶系的结构相变,单位细胞延伸沿lt;111gt;方向。另外，中心原子也沿着lt;111gt;方向从菱面体的中心位移，这导致具有交替的短键和长键的几何形状。此外，已发现GeTe表现出大量的点缺陷。已知Ge-空位是该合金中的主要点缺陷（参见例如参考文献19或20）。

对于三元合金如Ge2Sb2Te5和Ge1Sb2Te4，岩盐结构在大块样品中未被观察为高温相，如在GeTe中发现的那样，但仅作为薄膜中的亚稳相。这里普遍认为，一个亚晶格被碲原子占据，另一个亚晶格由锗原子，锑原子和空位的随机分布所占据。然而，从头算计算的最近结果表明，可以预设三元Ge-Sb-Te合金中Ge/Sb-亚晶格的占据。这一阶段最显着的特点是Ge/Sb亚晶格的空位浓度惊人地高达25 ％。对于沿GeTe-Sb2Te3伪二进制线的其他合金也观察到了这种情况。这些空位对于结构稳定性和化合物电子性质的作用仍未完全了解。然而，最近已经实现了了解空位存在的重要一步。通过对岩盐相中化学计量线Ge1Sb2Te4-Ge2Sb2Te4的纤维系统进行从头计算，数值研究了空位浓度差异对电子性质的影响。Ge1Sb2Te4在Ge/Sb亚晶格上含有25％的空位，而在Ge2Sb2Te4中，所有空位晶格位点都填充有Ge原子。通过研究所谓的化学轨道汉密尔顿群（COHP），已经使用这些计算确定了键合和反键合贡献。图6显示了三种化合物Ge1Sb2Te4，Ge1.5Sb2Te4和Ge2Sb2Te4中共价Ge-Te和Sb-Te相互作用的COHP，均在未松弛的岩盐晶格（顶部）以及结构弛豫（底部）之后，这会导致晶格局部扭曲。该图显示组合物Ge2Sb2Te4在接近费米能级的最高占据带中表现出大程度的反键合Ge-Te和Sb-Te相互作用。因此，组成Ge2Sb2Te4代表太高的价电子浓度（VEC），必须降低该价电子浓度以实现更好的稳定性。这是通过从系统中移除原子来实现的。在这些化合物中，碲是具有高绝对电负性的阴离子原子，其轨道贡献在低位价带中占主导地位。因此，排出Te原子会立即削弱低位键合状态，并且在能量上是不利的。因此，其轨道都有助于接近价带边缘的状态的Ge和Sb原子在能量上更有利于去除。与组合物Ge1.5Sb2Te4和Ge1Sb2Te4的COHP的比较表明，这些反键合相互作用越来越小，并且随着空位数量的增加最终消失。另一方面，这种连续去除Ge-Te键也降低了系统中键合状态的程度。因此，对于Ge1.5Sb2Te4发现具有最低总能量的最稳定的配置。

在基态，Ge-Sb-Te合金表现出非常复杂的层状三角形结构，尚未完全显露出来。使用实验方法，推断出相应构建块的正确堆叠顺序是非常具有挑战性的。因此，采用密度泛函理论（DFT）计算来促进结晶相变材料的结构确定。针对Ge2Sb2Te5在六方相中的结构特性，已经提出，对于Te-Ge-Te-Sb-Te-Te-Sb-Te-Ge的堆叠顺序，发现最低的总能量，即最稳定的相，在[0001]方向上。该结果与基于电子显微镜测量的模型一致.Agaev等人和Karpinsky等人提出了由交替的GeTe和Sb2Te3块组成的几何结构，如图7所示。然而，最近Matsunaga和Yamada提出了略微不同的堆叠顺序类似于Pb1Bi2Se4的稳定相 。

这些模型都不像GeTe那样容易与高温岩盐相关联。只有存在原子扩散过程才能实现相变。特别显着的是这些结构与诸如Si或GaAs的常规半导体相比的差异，其显示sp3杂化并因此以四面体排列结晶，产生金刚石（Si）或闪锌矿（GaAs）结构。然而，相变材料显示出八面体配位，如在岩盐结构中或在GeTe和Ge2Sb2Te<sub

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</sub

资料编号：[446228]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章