[发明专利]二维材料改良的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法

说明书

本发明公开了一种二维材料改良的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法，属于微电子器件及存储器技术领域；该超晶格相变薄膜包括相变材料层和导电二维材料层；所述相变材料层、导电二维材料层交替堆叠形成周期性结构，该导电二维材料层的原子间距小于相变材料层且其机械强度大于相变材料层；具有较小原子间距的导电二维材料可以阻止相变材料层的原子迁移，减少超晶格相变存储材料在循环擦写过程中由原子迁移造成的器件失效，增强其循环擦写的稳定性；将该超晶格相变薄膜应用于相变存储器中，可以显著增强超晶格相变存储器件的循环擦写稳定性，增加其使用寿命，进一步提升相变存储器的电学性能。

技术领域

本发明属于微电子器件及存储器技术领域，更具体地，涉及一种二维材料改良的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法。

背景技术

相变存储材料由于其可以通过施加电或者光脉冲快速的在低阻态和高阻态之间实现可逆的变换而备受人们关注，由高阻态转变为低阻态的过程称为SET过程，其逆过程称为RESET过程。基于相变材料的存储技术被人们认为是下一代存储技术的有力竞争者之一。

目前所使用的相变存储材料主要以GeTe、Sb₂Te₃及两者以一定的比例组成的化合物合金材料Ge_xSb_2yTe_x+3y(x及y均为整数)为主。但一系列的研究表明，以超晶格相变材料作为功能材料的界面相变存储器(iPCM)在SET速度、RESET功耗以及循环擦写稳定性等方面均远超过使用传统功能材料的相变存储器(Simpson R E,Fons P,Kolobov A V,etal.Interfacial phase-change memory[J].Nature nanotechnology,2011,6(8):501.)。超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到十几个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上是特定形式的层状精细复合材料。

虽然超晶格相变存储材料较普通相变存储材料在电学性能表现上已经有较大提升，但其仍然存在由于其内部的原子迁移造成的器件失效的问题。即：在超晶格相变存储器件反复擦写的过程中，超晶格相变存储材料内部的阴离子会沿着施加电压方向的反方向移动，而其内部的阳离子则沿着施加的电压方向移动。这一现象造成了超晶格相变存储材料内局部的原子配比失衡，相变材料失去相变特性，最终导致了器件在循环擦写过程中的失效。而超晶格相变存储材料的循环擦写次数也是其电学特性的一个重要指标，具有高循环擦写次数的超晶格相变存储器适用于需要频繁交换数据的应用场景，其有望于取代计算机中的DRAM，从而深刻改变计算机目前的架构。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维材料改良的超晶格相变薄膜、相变存储器及制备方法，其目的在于解决现有的超晶格相变存储器件存在的循环擦写稳定性有待提高的问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种二维材料改良的超晶格相变薄膜，包括相变材料层和导电二维材料层；

所述相变材料层、导电二维材料层交替堆叠形成周期性结构，该导电二维材料层的原子间距小于相变材料层的原子间距以阻止相变材料层的原子迁移，且其机械强度大于相变材料层。

优选的，上述超晶格相变薄膜，其导电二维材料层为单质二维材料或化合物二维材料；所述单质二维材料选自石墨烯、硅烯、锗烯、磷烯中的任意一种；所述化合物二维材料选自氮化硼、锗一硫属化物、过渡金属二硫属化物中的任意一种。

优选的，上述超晶格相变薄膜，其相变材料层为Sb单质、Ge-Te二元化合物、Ge-Sb二元化合物、Sb-Te二元化合物、Bi-Te二元化合物、In-Se二元化合物、Ge-Sb-Te三元化合物、Ge-Bi-Te三元化合物、Ge-Sb-Bi-Te四元化合物或者它们经元素掺杂形成的化合物中的任意一种；

掺杂的元素为C、Cu、N、O、Si、Sc、Ti、Ag、In中的至少一种。