CN111952448A - 一种基于锗锑碲与iv族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜及其应用，包括相变层和阻隔层，所述相变层和阻隔层交替堆垛，所述相变层至少两层，阻隔层至少一层，所述相变层为锗锑碲薄膜，阻隔层为IV族碲化物薄膜。该薄膜中锗锑碲材料与IV族碲化物材料交替堆垛，其中锗锑碲作为相变层实现存储，IV族碲化物材料作为阻隔层不参与相变，既能够抑制相变层材料的结构弛豫，又能够阻碍其元素偏析现象，将会极大地提升相变存储器件的稳定性和精准性，并有效延长器件的使用寿命，同时锗锑碲材料具有较高的结晶温度，能够保证高温环境下的稳定服役。该薄膜可应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
Description
技术领域
本发明涉及相变存储器及类脑计算芯片技术领域，特别涉及一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜及其应用。
背景技术
处于信息社会的今天，数据存储与处理带来的压力与日俱增。大数据、云计算、人工智能等新兴技术的蓬勃发展也对现有的计算设备性能提出了极大挑战。面对近在咫尺的数据存储危机，研究人员提出了多种能够进行数据存储的新型材料和新型技术，以期在同一单元中实现快速读写及稳定存储数据的新一代存储技术，其中基于相变材料的相变存储器具有能耗低、速度快等优势，是最接近产业化的下一代存储设备。
目前，基于锗锑碲材料的相变存储器产品已经进入了商用阶段，但现阶段的器件在稳定性、精准性和使用寿命等方面尚存在不足，阻碍了其在通用型存储器及类脑计算芯片方面的应用，究其原因，一方面由于相变材料自身的复杂结构增强了Peierls变形，进而引发结构弛豫，导致其自发的电阻漂移及较大的电阻噪声，降低了器件的稳定性和精准性；另一方面，材料在相变过程中会发生元素迁移，造成一定程度的元素偏析，甚至形成空洞，进而导致器件失效，缩短了器件的使用寿命；同时，由于电子芯片经常在高温环境下服役，锑碲等结晶温度较低的相变材料无法在高温下稳定服役。因此，探索一种能够降低相变材料的电阻漂移及电阻噪声、阻碍其元素迁移、并能够在高温环境下稳定服役的薄膜是领域内的重要研究方向之一。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜及其应用，该薄膜中锗锑碲材料与IV族碲化物材料交替堆垛，其中锗锑碲作为相变层实现存储，IV族碲化物材料作为阻隔层不参与相变，既能够抑制相变层材料的结构弛豫，又能够阻碍其元素偏析现象，将会极大地提升相变存储器件的稳定性和精准性，并有效延长器件的使用寿命，同时锗锑碲材料具有较高的结晶温度，能够保证高温环境下的稳定服役。该薄膜可应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，包括相变层和阻隔层，所述相变层和阻隔层交替堆垛，所述相变层至少两层，阻隔层至少一层，所述相变层为锗锑碲薄膜，阻隔层为IV族碲化物薄膜。
所述锗锑碲薄膜为锗锑碲材料，具有较高的结晶化温度。
所述IV族碲化物薄膜为二碲化钛、二碲化锆或二碲化铪，具有稳定的晶体结构。
所述每层锗锑碲薄膜的厚度至少1nm，每层IV族碲化物薄膜的厚度至少1nm。
所述锗锑碲薄膜与IV族碲化物薄膜均为八面体结构，相邻层间在范德华力的作用下形成范德华层。
所述锗锑碲薄膜在电学脉冲或光学脉冲作用下，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储。
所述IV族碲化物薄膜在电学脉冲或光学脉冲作用下结构保持不变。
该相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
本发明的有益效果：
锗锑碲材料与IV族碲化物多层堆垛薄膜材料中，锗锑碲材料作为相变层进行数据存储与处理，IV族碲化物材料作为阻隔层不参与相变，将相变材料限制在有限空间，既不影响其电学或光学性能，又能够阻止相变材料在相变过程中的元素偏析及非晶态的结构弛豫，将会有效提升器件的稳定性和精准性，以及器件的使用寿命。同时，锗锑碲具有足够高的结晶温度，能够满足相变存储或类脑计算芯片等电子器件的服役温度，保证了数据存储的可靠性。该薄膜在电学或光学脉冲均可实现相变，应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。此外，该多层堆垛薄膜的制备方法与现有薄膜制备技术匹配，不会显著增加制备成本及制备难度，在工业生产中具有较高的可行性。
附图说明
图1为锗锑碲与IV族碲化物材料交替堆垛的相变薄膜示意图。
图2为GeSbTe/TiTe2堆垛薄膜在1000K下的扩散系数分析示意图。
图3为GeSbTe/TiTe2堆垛薄膜在500K下的化学键分析示意图。
图4为GeSbTe/TiTe2堆垛薄膜在1000K下的结构稳定性分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为锗锑碲材料与IV族碲化物相变薄膜的示意图，由锗锑碲材料与IV族碲化物材料交替堆垛而成，其中锗锑碲材料作为相变层，可在电学或光学条件下发生相变，包括非晶相、立方相、六角相及三者之间的亚稳相；IV族碲化物材料作为阻隔层，在同等电学或光学条件下保持结构稳定且不与锗锑碲发生反应，起到延缓结构弛豫与阻碍元素迁移的作用，进而抑制信号漂移、降低信号噪声并延长器件寿命。
图2以GeSbTe与TiTe2多层相变薄膜为例，通过第一性原理计算分析了1000K下过冷态GeSbTe在TiTe2层附近的扩散系数，结果显示越靠近TiTe2层，GeSbTe的扩散系数越小，在TiTe2层中则为0，说明TiTe2层能够有效抑制GeSbTe的扩散，并因此延长器件寿命，降低其信号噪声。
图3以GeSbTe与TiTe2多层相变薄膜为例，利用第一性原理计算分析了GeSbTe材料中的Peierls变形，图中虚线表示发生Peierls变形的化学键，实线表示未发生Peierls变形的化学键，结果显示在500K的温度下，随时间推移，靠近TiTe2层的GeSbTe材料中，垂直于范德华层方向的Peierls变形均被抑制，这将会有效延缓非晶态GeSbTe的结构弛豫，抑制其信号漂移。
图4以GeSbTe与TiTe2多层相变薄膜为例，利用第一性原理计算验证了该薄膜在1000K下的结构稳定性，其中TiTe2层保持了稳定的晶体结构，GeSbTe的熔点约为888K，因此其为非晶态，计算结果显示该温度下GeSbTe未发生元素迁移且未与TiTe2发生反应。
一种基于锗锑碲/IV族碲化物交替堆垛的相变薄膜，所述薄膜包括：
作为相变层的锗锑碲材料与作为阻隔层的IV族碲化物材料交替堆垛，其中至少包含2层锗锑碲薄膜及1层IV族碲化物薄膜，其结构如图1所示；
其中相变层为锗锑碲材料，具有足够高的结晶温度以保证数据存储的可靠性；
其中IV族碲化物包括二碲化钛、二碲化锆和二碲化铪，在锗锑碲的相变温度下能够保持结构稳定，且不与锗锑碲发生反应；
其中每层锗锑碲薄膜的厚度至少1nm，每层IV族碲化物薄膜的厚度至少1nm；
其中锗锑碲薄膜层与IV族碲化物薄膜层均为八面体结构，相邻层间在范德华力的作用下形成范德华层，一方面阻隔层与相变层结构类似，另一方面由于范德华层的存在，使得阻隔层可以作为晶体结构模板，在相变层材料结晶化的过程中起到“种子”的作用，加快了相变层的结晶化过程，提升了相变速率；
在电学脉冲或光学脉冲作用下，锗锑碲薄膜层发生相变，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储；
在电学脉冲或光学脉冲作用下，作为阻隔层的IV族碲化物薄膜层结构保持不变，且不与锗锑碲发生反应，一方面阻隔层的稳定结构极大地限制了锗锑碲元素的扩散系数，有效地抑制了元素迁移，延长了器件寿命，抑制了信号噪声；另一方面其最外层的碲原子与锗锑碲之间形成的反键阻碍了Peierls变形，有效延缓了非晶态锗锑碲的结构弛豫，抑制了其信号漂移；
该相变薄膜的制备可采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法、等离子增强化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、金属化合物气相沉积法、分子束外延法、原子气相沉积法及原子层沉积法中任意一种。
该相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
下面以具体实施例为例进一步说明本发明：
实施例1
一种基于GeSbTe与TiTe2交替堆垛的相变薄膜，所述薄膜包括：
作为相变层的GeSbTe材料与作为阻隔层的TiTe2材料交替堆垛，其中包含2层GeSbTe薄膜及1层TiTe2薄膜；
其中每层GeSbTe薄膜的厚度约为2nm，每层TiTe2薄膜的厚度约为1nm，薄膜整体厚度约为5nm；
其中GeSbTe与TiTe2均为八面体结构，相邻层之间由范德华力形成范德华层，在GeSbTe晶化时，TiTe2能够作为模板加快了GeSbTe的结晶过程，提升其相变速率；
在电学或光学脉冲作用下GeSbTe层发生相变，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储；
在电学或光学脉冲作用下作为阻隔层的TiTe2薄膜层结构保持不变，且不与锗锑碲发生反应，极大地降低了GeSbTe的扩散系数，如图2所示，在靠近TiTe2时GeSbTe的扩散系数几乎0，将会有效降低信号噪声，并延长器件寿命；另一方面其最外层的碲原子与锗锑碲之间形成的反键阻碍了Peierls变形，如图3所示，在500K下随着时间的推移垂直于范德华层方向的Peierls变形均被抑制，将会有效延缓非晶态GeSbTe的结构弛豫，并抑制其信号漂移；同时GeSbTe具有较高的结晶化温度，能够在高温环境下稳定服役；
利用第一性原理计算验证了GeSbTe与TiTe2相变薄膜在温度为1000K时的结构稳定性，如图4所示，其中TiTe2层保持结构稳定，GeSbTe为非晶态，未发生元素迁移，且未与TiTe2层发生反应；
该相变薄膜的制备可采用分子束外延法进行制备。
该相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
实施例2
一种基于GeSbTe与ZrTe2交替堆垛的相变薄膜，所述薄膜包括：
作为相变层的GeSbTe材料与作为阻隔层的ZrTe2材料交替堆垛，其中包含5层GeSbTe薄膜及4层ZrTe2薄膜；
其中每层GeSbTe薄膜的厚度为7nm，每层TiTe2薄膜的厚度为2nm，薄膜整体厚度约为43nm；
其中GeSbTe与ZrTe2均为八面体结构，相邻层之间由范德华力形成范德华层，在GeSbTe晶化时，ZrTe2能够作为模板加快了GeSbTe的结晶过程，提升其相变速率；
在电学或光学脉冲作用下GeSbTe层发生相变，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储；
在电学或光学脉冲作用下作为阻隔层的ZrTe2薄膜层结构保持不变，且不与锗锑碲发生反应，极大地降低了GeSbTe的扩散系数，将会有效降低信号噪声，并延长器件寿命；另一方面其最外层的碲原子与锗锑碲之间形成的反键阻碍了Peierls变形，将会有效延缓非晶态GeSbTe的结构弛豫，并抑制其信号漂移；同时GeSbTe具有较高的结晶化温度，能够在高温环境下稳定服役；
在GeSbTe与ZrTe2相变薄膜中，GeSbTe发生相变时ZrTe2层将始终保持结构稳定，因此GeSbTe将不发生元素迁移且不与ZrTe2层发生反应；
该相变薄膜的制备可采用化学气相沉积法进行制备。
该相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
实施例3
一种基于GeSbTe与HfTe2交替堆垛的相变薄膜，所述薄膜包括：
作为相变层的GeSbTe材料与作为阻隔层的HfTe2材料交替堆垛，其中包含7层GeSbTe薄膜及6层HfTe2薄膜；
其中每层GeSbTe薄膜的厚度为9nm，每层HfTe2薄膜的厚度为3nm，薄膜整体厚度约为81nm；
其中GeSbTe与HfTe2均为八面体结构，相邻层之间由范德华力形成范德华层，在GeSbTe晶化时，HfTe2能够作为模板加快了GeSbTe的结晶过程，提升其相变速率；
在电学或光学脉冲作用下GeSbTe层发生相变，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储；
在电学或光学脉冲作用下作为阻隔层的HfTe2薄膜层结构保持不变，且不与锗锑碲发生反应，极大地降低了GeSbTe的扩散系数，将会有效降低信号噪声，并延长器件寿命；另一方面其最外层的碲原子与锗锑碲之间形成的反键阻碍了Peierls变形，将会有效延缓非晶态GeSbTe的结构弛豫，并抑制其信号漂移；同时GeSbTe具有较高的结晶化温度，能够在高温环境下稳定服役；
在GeSbTe与HfTe2相变薄膜中，GeSbTe发生相变时HfTe2层将始终保持结构稳定，且GeSbTe不发生元素迁移；
该相变薄膜的制备可采用原子层沉积法进行制备。
该相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
Claims (8)
1.一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，包括相变层和阻隔层，所述相变层和阻隔层交替堆垛，所述相变层至少两层，阻隔层至少一层，所述相变层为锗锑碲薄膜，阻隔层为IV族碲化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述锗锑碲薄膜材料为锗锑碲材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述IV族碲化物薄膜材料为二碲化钛、二碲化锆或二碲化铪。
4.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述每层锗锑碲薄膜的厚度至少1nm，每层IV族碲化物薄膜的厚度至少1nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述锗锑碲薄膜与IV族碲化物薄膜均为八面体结构，相邻层间在范德华力的作用下形成范德华层。
6.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述锗锑碲薄膜在电学脉冲或光学脉冲作用下，存在至少三个稳定的信号阻态，包括非晶态，亚稳态(立方相)和稳定态(六角相)，三者之间存在的中间阻态，亦可作为稳定的信号阻态实现多值存储。
7.根据权利要求1所述的一种基于锗锑碲与IV族碲化物交替堆垛的多层相变薄膜，其特征在于，所述IV族碲化物薄膜在电学脉冲或光学脉冲作用下结构保持不变。
8.基于权利要求1得到的相变薄膜可以通过电学脉冲或光学脉冲实现相变，能够应用于相变存储器及类脑计算芯片领域。
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