CN110718627A - In-Sn-Sb相变材料、相变存储器及In-Sn-Sb相变材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了In‑Sn‑Sb相变材料、相变存储器及In‑Sn‑Sb相变材料的制备方法，属于相变存储材料领域，所述In‑Sn‑Sb相变材料为由In，Sb，Sn元素组成的化学通式为InxSnySb100‑x‑y的材料，其通过将Sb作为基体材料，并向基体材料中掺杂In、Sn后得到；其中，x，y分别为原子个数百分比，且0＜x＜50，0＜y＜50，0＜x+y≤50。本发明的In‑Sn‑Sb相变材料，其制备方法简便，制备得到的In‑Sn‑Sb相变材料相较于传统的相变材料而言，具有更好的热稳定性、低相变密度变化、高阻值，可有效降低相变材料的工作功耗，提升信息数据存储的稳定性和准确性，避免相变存储器进行数据存储时相变材料与电极的脱离，确保信息存储稳定、准确的同时，延长了相变存储器的使用寿命，提升了相变存储器的使用经济性。
Description
技术领域
本发明属于相变存储材料领域，具体涉及一种In-Sn-Sb相变材料及其制备方法，以及In-Sn-Sb相变材料在相变存储器中的应用。
背景技术
在大数据时代，存储器的地位越来越突出，不论是信息数据的存储还是信息数据的传输，都对传统存储器提出了新的挑战，新型存储器的研发也成为了技术革新的重要一环。相变存储器是一种优秀的非易失性存储器件，具有读写速度快，容量大且生产成本低等特点，是目前最有希望的下一代存储器件之一。相变存储器主要是利用了相变材料晶态和非晶态之间的电阻差异来实现信息存储的功能，在使用过程中，只需要控制电流脉冲的大小和时间就可以实现擦写的功能，同时一个更小的电流脉冲便可以读出存储的信息。
对于相变存储器而言，其性能很大程度上依赖于相变材料的性质，目前主流的相变材料(Ge-Sb-Te基相变材料)已经可以实现稳定的晶态和非晶态之间的可逆转换，并可保证足够的电阻差异和快的相变速度，在常温下也具有较好的稳定性。不过，对于一些极端的环境，例如航空航天的应用环境，就要求相变材料要有更好的非晶态热稳定性，也就是需要有更高的结晶温度和数据保持温度。同时，在相变存储器的使用过程中，如果晶态和非晶态之间存在很大的密度差，往往会导致在相变过程中产生空洞，而这些空洞往往会在工作过程中逐渐聚集到电极处，使功能材料和电极脱离，最终造成器件失效。因此，为了保证相变存储器具有更高的可循环次数，就要求相变材料具有较小的相变密度差异。
目前，应用较为广泛的Ge-Sb-Te相变材料的结晶温度(150℃)和十年数据保持温度(85℃)都比较低，无法充分满足相变存储器在高温环境下的长时间、稳定应用，应用存在一定的局限性。而且，由于硫系元素Te的存在，非晶态的Ge-Sb-Te相变材料内部往往会产生大量的空洞，造成晶态和非晶态之间密度差异很大(8％以上)，如此大的密度差异会远远超过热胀冷缩的影响，极易导致器件工作过程中的失效，对于相变存储器件的稳定性和可靠性有巨大的影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种In-Sn-Sb相变材料及其制备方法，并提供了应用该In-Sn-Sb相变材料的相变存储器，利用In-Sn-Sb相变材料热稳定性好、相变密度差异小的特性，能有效实现相变材料在高温环境下的稳定工作，确保相变存储器具有更高的可靠性、更长的使用寿命和更小的使用能耗。
为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种In-Sn-Sb相变材料，其特征在于，所述In-Sn-Sb相变材料为In，Sb，Sn元素组成的化学通式为InxSnySb100-x-y的材料；其中，x，y分别为原子个数百分比，且0＜x＜50，0＜y＜50，0＜x+y≤50。
作为本发明的进一步改进，x，y值的取值范围为：10≤x≤30，10≤y≤20，即20≤x+y≤50。
作为本发明的进一步改进，所述In-Sn-Sb相变材料可采用磁控共溅射法、电子束蒸发法、气相沉积法或者原子层沉积法制备而成。
本发明的另一个方面，提供一种相变存储器，其利用所述In-Sn-Sb相变材料作为相变存储材料，其特征在于，所述In-Sn-Sb相变材料在所述相变存储器中为厚度介于20～200nm之间的相变薄膜材料。
作为本发明的进一步改进，所述相变薄膜材料为In30Sn20Sb50薄膜材料、In20Sn20Sb60薄膜材料、In10Sn20Sb70薄膜材料或者In30Sn10Sb60薄膜材料。
本发明的另一个方面，提供一种In-Sn-Sb相变材料的制备方法，用于所述相变薄膜材料的制备，其采用磁控共溅射法制备，步骤如下，
S1：根据所述相变薄膜材料的尺寸选取相应尺寸的溅射基片，并对其进行清洁处理；
S2：分别准备原子百分比纯度不低于99.99％的Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶，并对应设置三靶材与所述溅射基片的位置；
S3：采用高纯惰性作为溅射气体，并调节所述溅射气体的流量和溅射气压；
S4：分别设定所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的溅射电源功率，采用三靶共溅射法制备所述相变薄膜材料，并通过控制溅射时间来制得不同厚度的所述相变薄膜材料。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中的溅射基片为SiO2/Si(100)基片。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述Sb单质靶的溅射电源功率为25～35W，所述In单质靶的溅射电源功率为3～15W，且所述Sn单质靶的溅射电源功率为3～15W。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4开始前，还进行了所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的表面清洁过程，方法如下：
将空基托旋转到对正所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的位置，打开三靶位的挡板，进行预溅射5～10min。
作为本发明的进一步改进，步骤S4中的溅射时间为2～15min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的In-Sn-Sb相变材料，其利用In元素、Sn元素与Sb元素相互掺杂后得到，通过Sn原子与In原子、Sb原子在非晶态In-Sn-Sb相变材料中均匀随机分布并且成键，使得In-Sn-Sb相变材料成为一种稳定的三元合金，且非晶态的In-Sn-Sb相变材料中通过形成大量以In原子为中心的四面体结构，使得相变材料在非晶态下和晶态下的结构形成鲜明的对比，这种差异的存在使得非晶态下的相变材料需要更高的激活能才能被转化为晶态，大大提升了相变材料在非晶态下的稳定性，延长了数据保持的时间，确保了In-Sn-Sb相变材料进行数据存储时的准确性和稳定性；
(2)本发明的In-Sn-Sb相变材料，其非晶态与晶态之间存在两个数量级以上的电阻差异，为信息存储提供了足够大的窗口，保证了数据存储的准确性，而且In-Sn-Sb相变材料在非晶态和晶态下的电阻值远大于传统的Ge2Sb2Te5相变材料，使得相变材料在进行晶态-非晶态转换时所需的工作电流大幅降低，降低了相变材料在Set过程和Reset过程中的总功耗，从而降低了相变存储器的使用功耗，节约了相变存储器的使用成本；
(3)本发明的In-Sn-Sb相变材料，其结晶温度相较于传统的相变材料而言大幅提升，使得应用In-Sn-Sb相变材料的相变存储器在高温环境下的工作成为可能，有效提升了相变存储器的适用范围，降低了相变存储器的使用成本；而且，通过对应控制In、Sn在In-Sn-Sb相变材料中含量，可对应调整相变材料的结晶温度，从而得到不同结晶温度的相变材料，满足不同相变存储器中的应用需求；
(4)本发明的In-Sn-Sb相变材料，其相变密度差相较于传统的相变材料而言大幅降低，且随着相变材料中In和Sn含量的增加，相变材料的相变密度差进一步减小，并在In30Sn20Sb50相变材料中表现出最小的相变密度差，通过相变密度差的降低，可有效减少相变材料在进行晶态-非晶态转化时空洞的形成，避免相变材料与电极的脱离，从而提升了相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作；
(5)本发明中In-Sn-Sb相变材料的制备方法，其利用磁控共溅射法来制备，步骤简单，操作简便，通过控制In单质靶和Sn单质靶的直流溅射电源功率，可有效实现不同组成、不同性能的In-Sn-Sb相变材料的制备；同时，通过控制溅射的时间，可准确控制相变材料的成型厚度，即In-Sn-Sb相变材料的厚度、相变密度差、结晶温度和电阻率均可通过制备方法中对应参数的控制来调节，从而制备具有不同厚度、不同性能要求的相变材料，满足相变材料在不同相变存储器中的应用。
附图说明
图1是本发明实施例中In-Sn-Sb相变材料的非晶态原子结构图；
图2是本发明实施例中制得的In-Sn-Sb相变材料在高温退火后的XRD分析示意图；
图3是本发明实施例中制得的In-Sn-Sb相变材料的退火过程R-T曲线；
图4是本发明实施例中制得的In-Sn-Sb相变材料退火前后的AFM厚度测量示意图；
图5是本发明实施例中制得的In-Sn-Sb相变材料基于第一性原理模拟计算的非晶态与晶态密度差。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明优选实施例中可用于相变存储器的相变存储材料为In-Sn-Sb材料，其是In元素(铟)、Sb元素(锑)和Sn元素(锡)组成的合金材料，可看作是将Sb作为基体材料，并向基体材料掺杂In、Sn后得到，通过控制In、Sn的含量来控制合金材料的相变密度差和结晶温度，以及电阻率。进一步地，本发明中的In-Sn-Sb相变材料的化学组成通式为InxSnySb100-x-y，其中，0＜x＜50，0＜y＜50，0＜x+y≤50。
为得到更好的材料热稳定性，并确保相变材料在晶态与非晶态转变时的密度差足够小，上述InxSnySb100-x-y相变材料中的x、y值可优选为：10≤x≤30，10≤y≤20，即20≤x+y≤50。具体而言，当x＝30，y＝20时，得到的In30Sn20Sb50相变材料具有最小的晶态和非晶态密度差异，具有良好的非晶稳定性以及极低的功耗，是一种性能绝佳的相变存储材料。
进一步地，优选实施例中的In-Sn-Sb相变材料可以采用磁控溅射法、电子束蒸发法、气相沉积法或者原子层沉积法制备而成。同时，优选实施例中的In-Sn-Sb相变材料可用于制造高稳定性和高可靠性的相变存储器件，在相变存储器中应用时，其往往被加工成In-Sn-Sb相变薄膜材料，且相变薄膜材料的厚度大多为20～200mm。
优选实施例中的In-Sn-Sb相变薄膜材料在应用时很容易形成非晶态，在对In-Sn-Sb相变薄膜材料施加电脉冲信号时，其会发生高阻与低阻之间的可逆转换，变化幅度在两个数量级以上，这两个不同的电阻状态刚好可以分别用于代表存储的逻辑“0”态和“1”态。
鉴于In-Sn-Sb相变薄膜材料的上述阻值可逆变化特性，其可用于构造电可擦写的非易失性存储器。
实施例一：
在该实施例中，用于相变存储器中的纳米In-Sn-Sb相变薄膜材料的化学通式为InxSnySb100-x-y，其中x＝10，y＝10，即此时In-Sn-Sb相变材料的化学式为In10Sn10Sb80。
该实施例中的In-Sn-Sb纳米薄膜材料优选采用磁控共溅射法制得，通过Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶进行三靶共溅射来制作In-Sn-Sb薄膜。在制备时，利用高纯惰性气体作为溅射气体，其体积百分比达到99.999％以上，溅射气压优选调为0.5Pa；在优选实施例中，溅射气体优选为气体纯度不低于99.999％的高纯氩气。进一步地，Sb单质靶优选采用直流电源，电源功率为30W；In单质靶优选采用直流电源，电源功率为4W；Sn单质靶优选采用直流电源，电源功率为4W。当然，各靶材也可分别选用交流电源，通过对应调整各电源的电源功率即可。
具体地，In10Sn10Sb80相变薄膜材料的制备方法包括以下步骤：
S1：选取一定尺寸的溅射基片，优选实施例中为尺寸1cm×1cm的SiO2/Si(100)基片，清洗表面、背面，去除灰尘颗粒、有机和无机杂质。溅射基片尺寸的选择与想要得到的相变薄膜材料的尺寸相对应，例如优选实施例中便可得到尺寸为1cm×1cm的不同厚度相变薄膜材料。
优选实施例中对于基片的清洗过程如下所示：
S11：将SiO2/Si(100)基片在丙酮溶液中用40W的功率超声处理10min，并用去离子水冲洗；
S12：将处理后的基片在乙醇溶液中用40W的功率超声处理10min，并用去离子水冲洗，之后用高纯N2气吹干表面和背面，得到待溅射基片。
S2：进行采用直流溅射方法制备In10Sn10Sb80相变薄膜前的准备。
S21：分别装好Sb单质、In单质靶、Sn单质靶，三靶材的纯度分别达到99.99％(原子百分比)，并将本底真空抽至10-4Pa；
S22：使用高纯氩气作为溅射气体，设定其气流稳定为10sccm，并将溅射气压调节至0.5Pa，靶和基片的距离150mm；
S23：分别设定Sb单质靶的直流溅射电源功率为30W，In单质靶的直流溅射电源功率为4W，Sn单质靶的直流溅射电源功率为4W。
S3：利用直流三靶共溅射的方法制备In-Sn-Sb纳米相变薄膜材料。
S31：同时将空基托旋转到对正Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶的位置，打开三靶位的挡板，进行预溅射5～10min，以清洁靶材表面；
S32：待Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶表面清洁完成后，关闭三靶位的挡板，将待溅射基片旋转到三靶位中间对应处，开启三靶位的挡板，开始三靶共溅射并得到对应厚度的In-Sn-Sb相变薄膜。
根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜。当溅射时间为2min时，制备得到的In-Sn-Sb相变薄膜为20nm左右，可用于X射线反射率测量；当溅射时间为15min时，制备得到的In-Sn-Sb相变薄膜厚度为200nm左右，可用于原位电阻率退火测量和AFM测量。同时，可经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析确定，本实施例中制得的薄膜材料化学组成式为In10Sn10Sb80。
实施例二：
在该实施例中，In-Sn-Sb相变薄膜材料的制备方法与上述步骤相同，最大的区别是步骤S23中In单质靶的直流溅射电源功率调整为8W。经过上述磁控共溅射过程后，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料。经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析后可知，本实施例中得到的薄膜材料的化学组成式为In20Sn10Sb70。
实施例三：
在该实施例中，In-Sn-Sb相变薄膜材料的制备方法与实施例一中的步骤相同，不同之处在于将步骤S23中In单质靶的直流溅射电源功率调整为12W。经过上述磁控共溅射过程后，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料。经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析后可知，本实施例中得到的薄膜材料的化学组成式为In30Sn10Sb60。
实施例四：
在该实施例中，In-Sn-Sb相变薄膜材料的制备方法与实施例一中的步骤相同，不同之处在于将步骤S23中Sn单质靶的直流溅射电源功率增加为8W。经过上述磁控共溅射过程后，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料。经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析后可知，本实施例中得到的薄膜材料的化学组成式为In100Sn20Sb70。
实施例五：
在该实施例中，In-Sn-Sb相变薄膜材料的制备方法与实施例一中的步骤相同，不同之处在于将步骤S23中In单质靶和Sn单质靶的直流溅射电源功率分别增加为8W。经过上述磁控共溅射过程后，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料。经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析后可知，本实施例中得到的薄膜材料的化学组成式为In20Sn20Sb60。
实施例六：
在该实施例中，In-Sn-Sb相变薄膜材料的制备方法与实施例一中的步骤相同，不同之处在于将步骤S23中In单质靶的直流溅射电源功率增加为12W，并将Sn单质靶的直流溅射电源功率分别增加为8W。经过上述磁控共溅射过程后，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料。经X射线光电子能谱仪(XPS)定量分析后可知，本实施例中得到的薄膜材料的化学组成式为In30Sn20Sb50。
通过上述六个实施例不难看出，利用实施例一中的磁控共溅射方法，根据溅射时间的不同，可得到不同厚度的In-Sn-Sb相变薄膜材料；同时，通过对应调节Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶的溅射电源功率，可对应改变得到的In-Sn-Sb相变薄膜材料的组成，从而得到不同化学组成的相变薄膜材料，而得到的In-Sn-Sb相变薄膜材料的化学组成通式满足InxSnySb100-x-y；其中，x，y分别为原子个数百分比，且0＜x＜50，0＜y＜50，0＜x+y≤50。
具体而言，优选实施例中为得到上述化学组成的相变薄膜材料，Sb单质靶的溅射电源功率为25～35W，In单质靶的溅射电源功率为3～15W，且Sn单质靶的溅射电源功率为3～15W。
进一步地，对上述实施例中得到的各In-Sn-Sb相变薄膜材料进行分析后发现，非晶态In-Sn-Sb相变材料中，In、Sn与Sb元素均匀随机分布并且成键，没有明显的相分离，说明In-Sn-Sb非晶态相变材料是一种稳定的三元合金。如图1中所示，在非晶态的In-Sn-Sb模型中可以观察到大量的四面体结构，这些四面体结构几乎全部都是以In原子为中心，这些四面体结构和晶体中的八面体局部结构形成鲜明的反差，因此有益于提升非晶的稳定性。进一步地，根据非晶态下不同组成In-Sn-Sb相变材料的第一性原理计算模拟结果表明，In原子总是会倾向于形成四面体结构，非晶态结构中的四面体含量与In原子含量成正比例关系。
进一步地，图2为优选实施例中制备得到的In-Sn-Sb相变材料在高温退火后的XRD分析示意图。从图示中不难看出，在退火之后，各组分的In-Sn-Sb相变材料均显示出和单质Sb相同的特征峰，各个特征峰和对应的晶面表明：In-Sn-Sb晶体也属于六方晶系。同时，图示中并没有出现其他属于单质In和单质Sn的特征峰。因此，结合图1的模拟计算结果，可以说明In-Sn-Sb材料形成了稳定的化合物，在材料的相变过程中没有单质相析出。
进一步地，图3为优选实施例中制备得到的In-Sn-Sb相变材料的退火过程R-T曲线。可以看出，随着温度增加，沉积的非晶态高阻值逐渐转化为晶态的低阻值，非晶态和晶态之间有两个数量级以上的电阻差异，为信息存储提供了足够大的窗口；同时，随着相变材料中In与Sn含量的增加，In-Sn-Sb材料表现出更高的结晶温度，说明In和Sn元素可以有效地提升材料的非晶稳定性，这与第一性原理模拟计算的结果一致；此外，不难发现，在Sb含量不变的情况下，In含量越大，相变材料在非晶态下的电阻值越高，且相变材料的结晶温度越高，说明相较于Sn而言，In对于相变材料非晶稳定性的影响更加明显。进一步地，更高含量的In和Sn元素还显著增加了相变材料在晶态和非晶态的电阻值，这使得相变材料在相同的电压下，电流值进一步减小，意味着功耗的大幅降低。
进一步地，图4为优选实施例中制备得到的In-Sn-Sb相变材料退火前后厚度变化的AFM测量结果。现有的研究表明，退火前后的材料而薄膜厚度变化和密度变化的趋势具有一致性。因此，图4中的AFM厚度测量结果可以用来分析In-Sn-Sb相变材料在晶态和非晶态下的密度差异。从图示中可以看出，随着In和Sn含量的增加，In-Sn-Sb相变薄膜材料退火前(非晶态)和退火后(晶态)的厚度差异越来越小，In30Sn20Sb50相变薄膜材料的晶态和非晶态厚度差异几乎为零，这表示In30Sn20Sb50相变薄膜材料具有几乎相同的晶态和非晶态密度，这种几乎零密度变化的相变材料可以有效避免晶态-非晶态转换过程中相变材料内部空洞的形成，可用于生产可靠性高、循环次数多的相变存储器。
进一步地，如图5中所示，显示了优选实施例中制备得到的In-Sn-Sb相变材料基于第一性原理模拟计算的非晶态与晶态密度差。记相变密度差＝(晶态密度-非晶密度)/非晶密度×100％，从图中可以看到，In-Sn-Sb相变材料的相变密度差随着In和Sn的含量增加而减小，In30Sn20Sb50材料也表现出了最小的相变密度差，这与图4中的测量结果保持一致。
综上所述，不难看出，本发明优选实施例中制得的In-Sn-Sb相变材料可以作为一种高稳定性、低功耗的相变存储材料。其中，通过第一性原理模拟计算和XRD的结果表明，In-Sn-Sb材料是一种稳定的化合物，在相变过程中不会出现相分离。同时，In-Sn-Sb相变材料退火过程的R-T测量结果表明，In和Sn的加入可以有效地增加结晶温度，改善了单质Sb材料非晶稳定性差的特点，且In-Sn-Sb相变材料的结晶温度高于Ge2Sb2Te5相变材料，意味着In-Sn-Sb相变材料相较于传统Ge2Sb2Te5相变材料而言，可以应用于更加高温的环境中。其次，第一性分子动力学的模拟结果表明，In形成的四面体局部结构是非晶稳定性提升的主要原因，在结晶过程中，这些四面体结构需要更高的激活能来转化成八面体结构，因而阻碍了结晶过程的进行，使得常温下的In-Sn-Sb相变材料也能表现出了很好的稳定性，其有效的数据保持时间也比Ge2Sb2Te5相变材料更长，提升了相变存储器应用的可靠性。此外，AFM和第一性原理的计算结果都表明In30Sn20Sb50相变材料可以实现相变过程中的接近零密度的变化，使得基于In30Sn20Sb50相变材料的相变存储器可以有更好的可靠性，能有效减少相变材料在晶态-非晶态转化过程中空洞的形成，避免相变材料与电极的脱离，从而提升了相变存储器应用的可靠性，延长了相变存储器的使用寿命，确保相变存储器可以在长时间的多次擦写下仍然保持正常工作。
本发明中In-Sn-Sb相变材料，其制备方法简便，制备得到的In-Sn-Sb相变材料具有良好的热稳定性和低相变密度变化，可作为稳定的相变存储材料应用于相变存储器中，确保了相变存储器的应用稳定性和数据存储的准确性，使得相变存储器具有较长的使用寿命，而且，In-Sn-Sb相变材料在晶态和非晶态下的电阻值均大于传统的相变材料，使得相变材料在Set过程和Reset过程中的总功耗相较于传统相变材料而言大幅降低，降低了相变存储器的功耗，降低了相变存储器的制备成本和应用成本，具有较好的应用前景和推广价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种In-Sn-Sb相变材料，其特征在于，所述In-Sn-Sb相变材料为In，Sb，Sn元素组成的化学通式为InxSnySb100-x-y的材料；其中，x，y分别为原子个数百分比，且0＜x＜50，0＜y＜50，0＜x+y≤50。
2.根据权利要求1所述的In-Sn-Sb相变材料，其中，x，y值的取值范围为：10≤x≤30，10≤y≤20，即20≤x+y≤50。
3.根据权利要求1或2所述的In-Sn-Sb相变材料，其中，所述In-Sn-Sb相变材料可采用磁控共溅射法、电子束蒸发法、气相沉积法或者原子层沉积法制备而成。
4.一种相变存储器，其利用权利要求1～3中任一项所述的In-Sn-Sb相变材料作为相变存储材料，其特征在于，所述In-Sn-Sb相变材料在所述相变存储器中为厚度介于20～200nm之间的相变薄膜材料。
5.根据权利要求4所述的相变存储器，其中，所述相变薄膜材料为In30Sn20Sb50薄膜材料、In20Sn20Sb60薄膜材料、In10Sn20Sb70薄膜材料或者In30Sn10Sb60薄膜材料。
6.一种In-Sn-Sb相变材料的制备方法，用于权利要求4或5中所述相变薄膜材料的制备，其采用磁控共溅射法制备，步骤如下，
S1：根据所述相变薄膜材料的尺寸选取相应尺寸的溅射基片，并对其进行清洁处理；
S2：分别准备原子百分比纯度不低于99.99％的Sb单质靶、In单质靶和Sn单质靶，并对应设置三靶材与所述溅射基片的位置；
S3：采用高纯惰性作为溅射气体，并调节所述溅射气体的流量和溅射气压；
S4：分别设定所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的溅射电源功率，采用三靶共溅射法制备所述相变薄膜材料，并通过控制溅射时间来制得不同厚度的所述相变薄膜材料。
7.根据权利要求6所述的In-Sn-Sb相变材料的制备方法，其中，在步骤S4中，所述Sb单质靶的溅射电源功率为25～35W，所述In单质靶的溅射电源功率为3～15W，且所述Sn单质靶的溅射电源功率为3～15W。
8.根据权利要求6或7所述的In-Sn-Sb相变材料的制备方法，其中，步骤S4中的溅射时间为2～15min。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的In-Sn-Sb相变材料的制备方法，其中，在步骤S4开始前，还进行了所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的表面清洁过程，方法如下：
将空基托旋转到对正所述Sb单质靶、所述In单质靶和所述Sn单质靶的位置，打开三靶位的挡板，进行预溅射5～10min。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的In-Sn-Sb相变材料的制备方法，其中，步骤S1中的溅射基片为SiO2/Si(100)基片。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09286175A (ja) * | 1996-04-23 | 1997-11-04 | Mitsubishi Chem Corp | 光記録媒体 |
| JP2002011958A (ja) * | 2000-04-28 | 2002-01-15 | Mitsubishi Chemicals Corp | 光記録媒体及び光記録再生方法 |
| CN1442853A (zh) * | 2002-03-05 | 2003-09-17 | 三菱化学株式会社 | 用于信息记录媒体的相变记录材料及使用此材料的信息记录媒体 |
| CN101241967A (zh) * | 2008-03-07 | 2008-08-13 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的粘附层材料及制备方法 |
| CN102185106A (zh) * | 2011-04-22 | 2011-09-14 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储材料及其制备方法 |
| CN102623632A (zh) * | 2011-01-28 | 2012-08-01 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于高温环境的N-Ge-Te相变存储材料及制备方法 |
| CN102832339A (zh) * | 2012-09-11 | 2012-12-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的Al-Ge-Te相变材料 |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09286175A (ja) * | 1996-04-23 | 1997-11-04 | Mitsubishi Chem Corp | 光記録媒体 |
| JP2002011958A (ja) * | 2000-04-28 | 2002-01-15 | Mitsubishi Chemicals Corp | 光記録媒体及び光記録再生方法 |
| CN1442853A (zh) * | 2002-03-05 | 2003-09-17 | 三菱化学株式会社 | 用于信息记录媒体的相变记录材料及使用此材料的信息记录媒体 |
| CN101241967A (zh) * | 2008-03-07 | 2008-08-13 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的粘附层材料及制备方法 |
| CN102623632A (zh) * | 2011-01-28 | 2012-08-01 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于高温环境的N-Ge-Te相变存储材料及制备方法 |
| CN102185106A (zh) * | 2011-04-22 | 2011-09-14 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 相变存储材料及其制备方法 |
| CN102832339A (zh) * | 2012-09-11 | 2012-12-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 用于相变存储器的Al-Ge-Te相变材料 |
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