多层次相变存储器材料的织构演化与光电特性
发布时间：2021-02-01 00:12
相变存储器具有可靠性高、循环寿命长和存储速度快等优点,被认为是最有发展潜力的存储器之一。随着对计算机及存储技术要求的不断提高,无论是器件设计还是材料优化,相变存储器都在不断的研究与发展中。相变存储器的核心是以硫系化合物为基础的相变材料,这种材料可以从非晶态转变到晶态,其相变和微观结构的演化导致存储器存在电学或光学反差,从而实现数据存储。相变材料的成分、电极层和超点阵结构等均对其晶粒生长、局部原子排列和织构演化有较大的影响,进而影响相变存储器材料的电导率或光学反射率,实现多层次存储。因此,研究相变材料的结构和性能对于相变存储器极为重要。本文主要对经典Ge2Sb2Te5（GST）和新型多层次Ga-Sb相变存储器材料的微观结构、相变机理和应用进行了系统研究,并讨论了相关元素掺杂和超点阵结构相变存储器在性能上的提高机制。首先研究了经典GST薄膜的织构演变,证明Si基底上沉积的亚稳态fcc结构GST薄膜存在立方{100}<001>和旋转立方{100}<011>这两种织构组分,应变能密度最小是GST/Si晶化时产生择尤取向的主要驱动力。SiO2基底上沉积的fcc结构GST薄...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１?ＦＲＡＭ工作原理图??
?北京科技大学博士学位论文???挥发性、低功耗、无限次读写、抗辐射等优点，在空间、军事、移动通讯等??领域的应用有很大优势。但是当磁性随机存储器密度提高时，其内部结构很??容易受到外界的磁场和振动的影响，且磁性隧道结的加工制备难度较大，从??大规模应用的角度来看，其工艺、技术都存在着一些问题［８＿９］。??隧道结－一??固定层??低电阻“０”?高电阻“１”??图２－２磁性隧道结存储单元的结构??相变存储器（ＰＣＭ）是通过物质相变来实现信息存储的一种存储器，１９６８??年，ＯｖｓｈｉｎｓｋｙＳＲｎＧ】首次描述了基于相变理论的存储器，即材料在非晶态－晶??态－非晶态相变过程中，其非晶态和晶态呈现不同的光学和电学特性，因此可??以用非晶态代表“０”，晶态代表“１”来实现信息存储，这被称为Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ??电子效应。相变存储器就是基于Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ效应的元件，也被命名为Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ??电效应统一存储器（ＯＵＭ，Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ?Ｕｎｉｆｉｅｄ?Ｍｅｍｏｒｙ）。??相变存储器主要利用电能（焦耳热）使相变存储器材料在晶态（低阻）??与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读娶写入和擦除，工作原理??是将数据的写入和读取分为三个过程，分别是“Ｓｅｔ?（设置）”、“Ｒｅｓｅｔ?（重置）”??和“Ｒｅａｄ?（读取）”。“Ｓｅｔ”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料??上，使其温度升高到结晶温度ｒｘ以上、熔点温度ｒｍ以下，相变存储器材料??形核并结晶，此时相变存储器材料的电阻较低，代表数据“１”。“Ｒｅｓｅｔ”过程??就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变存储器材料上，使其温度升高到熔点??温度以上，随后
?多层次相变存储器材料的织构演化与光电特性???陣－??ｎ——｜，＾＿ｌｓｎ——｜??Ｔｎ，???ｆ?＼Ｖｍ??????此时材料处于高电明状态」??图２－３相变存储器的工作原理??这几种新型存储器的共同特点是其存储单元都是基于不同材料特性的非??易失性存储器，而不是传统的电荷存储技术。表２－１给出了这几种存储器己??有产品的性能对比数据。可以看出，相变存储器在擦除时间、可循环次数上??具有一定的优势。目前相变存储器被认为最有可能取代当今主流存储器而成??为未来存储器的主流产品［｜１］。近年来，英特尔（Ｉｎｔｅｌ）、三星（Ｓａｍｓｕｎｇ）、国??际商业机器ＵＢＭ）、飞利浦（Ｐｈｉｌｉｐｓ）和意法半导体（ＳＴ?Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）??等公司以及很多大学和研宄所都在这一领域开始进行研宄，在基础研究和应??用研究领域取得了较大的进展，极大地促进了相变存储器的发展。相变存储??器的核心是以硫系化合物为基础的相变材料，这种材料中存在非晶相和晶相，??这两种状态的结构差异导致相变材料的电学性能和光学性能明显不同。因此，??研究相变材料的结构和性能对于相变存储器极为重要。??表２－１几种新型存储器之间的性能对比??项目?ＦＬＡＳＨ?ＦＲＡＭ?ＭＲＡＭ?ＰＣＲＡＭ??单元尺寸（Ｆ２）?４－１１?４－１６?６－２０?５－８??非挥发性?是?是是是??读／写时间?６０ｎｓ／２０〇ｎｓ?８０／８０?ｎｓ?３０／３０?ｎｓ?５０／１０ｎｓ??擦除时间?１－１００?ｍｓ?８０?ｎｓ?３０?ｎｓ?５０?ｎｓ??破坏性读取?否?是／否?否?否??可擦写次数?１０５?
本文编号：3011825
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１?ＦＲＡＭ工作原理图??
?北京科技大学博士学位论文???挥发性、低功耗、无限次读写、抗辐射等优点，在空间、军事、移动通讯等??领域的应用有很大优势。但是当磁性随机存储器密度提高时，其内部结构很??容易受到外界的磁场和振动的影响，且磁性隧道结的加工制备难度较大，从??大规模应用的角度来看，其工艺、技术都存在着一些问题［８＿９］。??隧道结－一??固定层??低电阻“０”?高电阻“１”??图２－２磁性隧道结存储单元的结构??相变存储器（ＰＣＭ）是通过物质相变来实现信息存储的一种存储器，１９６８??年，ＯｖｓｈｉｎｓｋｙＳＲｎＧ】首次描述了基于相变理论的存储器，即材料在非晶态－晶??态－非晶态相变过程中，其非晶态和晶态呈现不同的光学和电学特性，因此可??以用非晶态代表“０”，晶态代表“１”来实现信息存储，这被称为Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ??电子效应。相变存储器就是基于Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ效应的元件，也被命名为Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ??电效应统一存储器（ＯＵＭ，Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ?Ｕｎｉｆｉｅｄ?Ｍｅｍｏｒｙ）。??相变存储器主要利用电能（焦耳热）使相变存储器材料在晶态（低阻）??与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读娶写入和擦除，工作原理??是将数据的写入和读取分为三个过程，分别是“Ｓｅｔ?（设置）”、“Ｒｅｓｅｔ?（重置）”??和“Ｒｅａｄ?（读取）”。“Ｓｅｔ”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料??上，使其温度升高到结晶温度ｒｘ以上、熔点温度ｒｍ以下，相变存储器材料??形核并结晶，此时相变存储器材料的电阻较低，代表数据“１”。“Ｒｅｓｅｔ”过程??就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变存储器材料上，使其温度升高到熔点??温度以上，随后
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