砷硒共掺杂Ge2Sb2Te5相变薄膜的相演化机制及其在存储器中的应用研究

本综述系统阐述了As2Se3掺杂对Ge2Sb2Te5（GST）相变材料的结构与性能调控机制。研究发现掺杂显著提升非晶相热稳定性（结晶温度从168℃升至225℃），通过形成高能Ge-Se/As-Se键增大带隙，并将10年数据保留温度从78℃提升至124.93℃。阈值电流降至0.23mA，为低功耗相变存储器（PCM）提供创新解决方案。

　　

Highlight

实验工作

采用传统熔融淬火法制备了(Ge₂Sb₂Te₅)_1-x(As₂Se₃)_x块体样品（掺杂浓度x=0, 0.07, 0.14, 0.21）。高纯度元素（99.99%）按化计量比称量后，在2×10^?6mbar真空下密封于石英安瓿中，置于高温炉内850℃加热12小时并通过液氮淬火获得均匀合金。通过热蒸发技术在硅基片和玻璃基片上制备300nm厚薄膜，并在10^?5mbar真空下以2℃/分钟速率进行退火处理。

X射线衍射分析

如图2所示，不同掺杂浓度(0≤x≤0.21)的(Ge₂Sb₂Te₅)_1-x(As₂Se₃)_x薄膜在沉积态呈非晶特征（图2a）。经300℃退火后（图2b），出现面心立方（FCC）和六方（HEX）混合相结构，并通过ICSD卡片（#04-003-4147和#01-073-4581）确认。值得注意的是，所有掺杂样品均未观察到相分离现象。在400℃退火后（图2c），样品完全转变为HEX相，衍射峰强度随掺杂浓度增加而增强，表明结晶度提升。

结论

我们系统研究了(Ge₂Sb₂Te₅)_1-x(As₂Se₃)_x薄膜（0≤x≤0.21）的相变特性。As₂Se₃掺杂显著增强非晶相热稳定性，使结晶温度从168℃（x=0）升至225℃（x=0.21），SET电阻同步增加。所有掺杂薄膜中均形成亚稳态FCC相，而强Ge-Se和As-Se键的形成增大了带隙，进一步提高非晶相稳定性。10年数据保留温度从78℃跃升至124.93℃，活化能相应增加。阈值电流降至0.23mA，高阻薄膜通过增强焦耳热效应实现低功耗转换，展现出优异的相变存储器（PCM）应用潜力。