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用于新型相变存储器的锗锑碲薄膜的结构和电学性质

作　者: 刘文强
导　师: 徐岭；万建国
学　校: 南京大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 相变存储器 GeSbTe相变材料 非晶态 晶态 激活能 光学带隙 异质结 电子束蒸发
分类号: O484.42
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


相变存储器由于具有读写速度快、能耗低、非挥发性、数据保持时间长以及与硅加工工艺兼容等特点,被认为是最有可能取代目前的SRAM、DRAM、FLASH等产品成为未来主流的存储器产品。因其广阔的前景,相变存储器近二十年来得到了持续的关注和广泛的研究,并取得了快速的发展。GeSbTe硫系三元化合物已经被成功应用于光盘系列相变存储器,也是在PCRAM应用中最具竞争力的相变材料,成为研究开发的热点。本文以GeSbTe相变材料为中心,对其结构、表面形貌以及电学性质进行了测量和研究。我们利用电子束蒸发系统和Ge2Sb2Te5靶材制备了GeSbTe相变材料薄膜。通过XPS测量了GeSbTe薄膜中的元素成分和配比。通过XRD测量发现随着退火温度的升高,GeSbTe的微观结构先从晶态 的学位论文">非晶态结构转变至亚稳态的面心立方结构,最后进一步转变为稳定的六角结构。而通过分光光度计对透射率的测量,我们得到了GeSbTe薄膜对不同能量光子的吸收系数并进而得到非晶态和晶态GeSbTe的光学带隙。我们利用AFM对相同温度不同时间下退火的Ge1Sb1Te4和Ge2Sb2Te5薄膜的表面形貌进行了表征。通过对表面形貌的分析,得到了Ge1Sb2Te4和Ge2Sb2Te5薄膜表面晶粒尺寸分布随退火时间变化的情况,根据晶粒尺寸分布发现晶粒中分布在大尺寸的晶粒随着退火时间的增加比例变大,薄膜表面结晶的部分增多。薄膜的结晶速率开始取决于晶核的产生速率和沿晶核的生长速率,而随着结晶的逐步完全,则主要取决于沿已有晶粒的生长速率。而且通过Ge1Sb2Te4与Ge2Sb2Te5的比较发现,相同温度相同退火时间下Ge2Sb2Te5的结晶速率更快。对电子束蒸发制备的GeSbTe相变材料,我们利用原位变温电阻测量,详细地研究了其热致相变过程。测量了不同升温速率条件下以及恒温退火条件下电阻率随温度和时间的变化情况。发现与其微观结构的改变相对应,GeSbTe的方块电阻会出现两次明显的下降。我们还计算得到了GeSbTe薄膜的非晶激活能、两次相变的相变激活能以及恒温条件下的激活能。同时,我们利用电子束蒸发制备了GeSbTe/n-Si异质结,画出了其平衡态能带示意图,对其电流电压特性进行了测量和讨论,发现amorphous-GeSbTe/n-Si异质结和fcc-GeSbTe/n-Si异质结表现出典型的p-n结电流电压特性。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 相变材料概述  9-11
  1.2 光学存储器  11-12
  1.3 电学存储器  12-16
    1.3.1 PCRAM的发展状况  13-14
    1.3.2 PCRAM的存储原理及特点  14-16
  1.4 相变存储器的关键材料  16-18
    1.4.1 研究概况  16-17
    1.4.2 研究内容和方向  17-18
  1.5 本文的结构和内容  18-19
  参考文献  19-23
第二章 GeSbTe的制备和结构性质  23-36
  2.1 引言  23-25
  2.2 GeSbTe薄膜的制备及成分分析  25-28
    2.2.1 GeSbTe薄膜的制备  25-26
    2.2.2 GeSbTe的XPS分析  26-28
  2.3 GeSbTe的结构性质  28-30
  2.4 GeSbTe的光学带隙  30-33
  2.5 本章小结  33-34
  参考文献  34-36
第三章 GST的形貌表征与研究  36-48
  3.1 引言  36-37
  3.2 实验过程  37
  3.3 Ge_1Sb_2Te_4的AFM表征与分析  37-41
  3.4 Ge_2Sb_2Te_5的AFM表征与分析  41-45
  3.5 本章小结  45-46
  参考文献  46-48
第四章 GeSbTe的电学性质研究  48-63
  4.1 引言  48-49
  4.2 GeSbTe的热致相变过程  49-56
    4.2.1 GeSbTe电阻率随温度的变化  49-50
    4.2.2 GeSbTe的非晶激活能  50-51
    4.2.3 GeSbTe的相变激活能  51-55
    4.2.4 GeSbTe的结晶孕育时间  55-56
  4.3 GeSbTe/n-Si异质结的电流电压特性  56-60
  4.4 本章小结  60-61
  参考文献  61-63
总结与展望  63-65
硕士阶段发表的工作  65-66
致谢  66-67

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的性质 > 电性质
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