[发明专利]一种二维GeTe单晶纳米片及其在相变存储中的应用

说明书

本发明属于半导体材料领域，涉及一种二维GeTe单晶纳米片及其制备方法，以及在相变存储中的应用。本发明提供的这种二维GeTe单晶纳米片的制备方法，包括以下步骤：将GeTe粉末作为前驱体放置于管式炉的中心，两片云母以垂直堆叠的方式放置于管式炉下游，其中云母边沿位置与管式炉中心位置距离为11cm‑13cm，载气为氩气，氩气流量速度为95‑105sccm；将中心温区加热至保温温度，制备过程中，保持管式炉内部在氩气气氛下处于100KPa‑101KPa，保温时间结束后，使得反应物降温至常温即可。本发明提供的这种二维GeTe单晶纳米片在常压下的双稳态晶相可逆转变存储机制将为进一步实现具有低的触发能量势垒、低功率损耗和高操作速度的新型晶相间相变储存器打下基础。

技术领域

本发明属于半导体材料领域，更具体地，涉及一种二维GeTe单晶纳米片及其制备方法，以及在相变存储中的应用。

背景技术

在目前新型固态存储器市场中，相变存储器因具有响应速度快、存储密度大、热稳定性高、循环寿命长、集成度高以及兼容CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺等优点，使得其在下一代非易失性主流存储器的应用和发展中表现出巨大的竞争力(Nature materials 2005,4(4),265-266)。

传统相变存储器一般都是基于相变材料中高电阻率的非晶相和低电阻率的晶相之间的可逆相变，利用相变材料在不同的相态结构之间相互转化时表现出较大的电阻率差异来实现数据存储功能(Advanced materials 2011,23(18),2030-2058)。其中，触发相变材料晶相和非晶相的可逆转化常用手段是施加合适的脉冲电压。一般来说，将电流相对较大且脉宽相对较短的脉冲电压施加到存储器器件上，由于焦耳热的作用，存储器器件的温度会加热至高于相变材料的熔点(通常对于相变存储器中使用的典型相变材料的熔点约为600℃)。由于脉冲电压的下降沿时间相对来说非常短，导致材料在内部原子处于无序排列的熔融状态下迅速冷却淬火，使得材料内部的原子来不及重新排列因而形成高电阻率的非晶相。该过程被称为RESET程序，存储器处于高电阻状态(对应逻辑状态“1”，写)。因为熔融淬火过程需要提供足够的能量才能使温度高于相变材料的熔点，所以RESET程序是相变存储过程中功率限制步骤。并且熔融淬火过程必须保证足够快，否则材料容易在冷却过程中重结晶。施加电流适中而脉宽较长的脉冲电压使相变材料温度高于其结晶温度而低于熔化温度，经过一定时间的晶化可实现材料的再结晶。这一过程被称为SET程序，存储器处于低电阻状态(对应逻辑状态“0”，擦)。因为某些相变材料晶化形成结晶相需要较长的时间，所以SET程序是相变存储过程中的速率限制步骤。此外，对于部分硫属相变材料来说，经过多次非晶相-晶相循环转变后，材料的元素成分会出现偏析的倾向。尤其是Te元素，由于它的熔点较低(400℃左右)且蒸汽压较高，重复的熔融、结晶过程容易在材料内部析出，形成富Te区域，严重时可能引发器件失效(Applied Physics Letters 2007,90(14),141902.)。

近年来，基于相变材料在晶相-晶相转变的非传统相变存储器的研究受到了人们的广泛关注(Nano letters 2013,13(8),3501-3505)。由于其在相变过程中可以规避非晶相，一方面，有效避免了在向非晶相转变过程中可能出现的元素偏析现象；另一方面，大大减少了相变过程的触发能量和相关的熵损失，从而也降低了相变存储器在功耗和散热方面的要求。基于此，研发适用于这种新型相变存储机制的相变材料尤为重要。