[发明专利]一种纳秒级可逆相变材料及其相变机理的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变材料及其测定方法和实验手段，尤其是指一种纳秒级可逆相变材料及其相变机理的测定方法，属于微电子学纳米材料与非易失性存储器领域。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)作为最具潜力的下一代非易失性存储器，在近十几年日益成为研究的热点(Tech.Dig.-Int.Electron Devices Meet.2001，803)。相变存储器的核心是相变材料，相变材料必须具备的主要特性包括：纳秒级的高速相变、非晶态具有长期的高温稳定性、晶态与非晶态之间有明显的电阻差异、具有反复超过10⁶次循环转变能力(Nat.Mater.，6，824-832，2007)。显然诸多材料不能够满足上述条件，而对合格相变材料的寻找自可擦写光盘的研究之初便开始了，前后经历了几十年。

最初被发现的材料多属于较好的玻璃形成体，如以Te元素为主的共熔合金--Ge₁₅Te₈₅，以及对其掺杂S、P和Sb元素所得材料(Phys.Rev.Lett.，21，1450-1453，1968)。虽然这些材料已经表现出能被用于电学存储方面的电性能转变(Electrical switching)现象，但它们的结晶时间却在微秒量级，这与最初的合金材料不能在结晶时形成单一的固相有很大关系。后续发现的GeTe-Sb₂Te₃比例链上的伪二元相变材料(J.Appl.Phys.，69，2849-2856，1991)，如Ge₄Sb₂Te₇、Ge₁Sb₄Te₇、Ge₁Sb₂Te₄和Ge₂Sb₂Te₅，则具有快速再结晶且电阻差异较大等性能，是性能优良的相变材料。对GeSbTe材料掺入N、Sn、Bi以及In等元素的材料都被研究过，部分已经被用于工业产品中。另外其它二元相变材料Sb₂Te(Jpn.J.Appl.Phys.，Part1 31，461-465，1992)和GeSb(Tech.Dig.-Int.Electron Devices Meet.，1-4，2006)以及它们的掺杂后形成的非化学计量比的三元相变材料也表现出高速相变的性能。

虽然相变存储器在技术上已经有了长足发展，对于相变材料非晶态与晶态原子层面结构的正确认识却相对很少。为了弄清相变材料纳秒量级快速相变的微观机理，就必须充分研究非晶态与晶态相变材料结构上的差异以及在快速相变的瞬态过程中所发生的微观尺度上的变化。只有在理解相变材料快速相变机理的基础上才能合理的设计与优化相变材料。

Kolobv(Nat.Mater.3，703，2004)等认为Ge₂Sb₂Te₅材料非晶态与晶态之间转变的本质在于Ge原子从八面体配位跳跃至四面体配位，认为非晶化过程并没有经过完全的材料熔融状态，只是打断了少数Ge-Te键，且认为非晶态Ge₂Sb₂Te₅材料中并没有大量的Ge-Ge和Ge-Sb键存在，同时Sb的近邻原子结构在相变过程中没有显著的变化。相反，Baker(Phys.Rev.Lett.96，255501，2006/J.Non-Cryst.Solids 352，1621，2006/Adv.Mater.8，2039，2006)等使用X射线精细吸收谱技术研究认为非晶态Ge₂Sb₂Te₅材料中有17％的Te原子是超配位的，Ge原子是包含在Te₃Ge-GeTe₃结构单元之中，并指出非晶态结构中存在Ge-Ge键形式。而Jóvári(Phys.Rev.B 77，035202，2008)等则指出前二者在模型构键过程和结果解释上的错误，认为非晶态Ge₂Sb₂Te₅材料中不但含有主要的Ge-Te、Sb-Te键还存在Ge-Te、Ge-Sb键，但Sb-Sb、Te-Te键则同样没有发现。