《Materials Science in Semiconductor Processing》：Tailoring thermal stability and crystallization behavior in GeTe through arsenic incorporation for electronic memories
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摘要相变存储器（PCM）是非易失性存储器和未来神经形态计算应用的有前景的候选材料。本文研究了不同掺砷（As）比例的GeTe（化学式为(GeTe)1-xAsx，其中x=0.00、0.10、0.15和0.20）合金的各种结构、光学和电学性质。随着砷含量的增加，掺砷GeTe的结晶温度从
摘要
相变存储器（PCM）是非易失性存储器和未来神经形态计算应用的有前景的候选材料。本文研究了不同掺砷（As）比例的GeTe（化学式为(GeTe)1-xAsx，其中x=0.00、0.10、0.15和0.20）合金的各种结构、光学和电学性质。随着砷含量的增加，掺砷GeTe的结晶温度从大约144°C持续升高到237°C，表明该合金的热稳定性得到改善。此外，非晶态和晶态之间的电阻对比度也从GeTe的约5个数量级提高到了掺砷后的6个数量级，这对于多级切换非常有利。X射线衍射证实，在退火过程中形成了菱形晶系的GeTe相。随着砷含量的增加，合金的光学带隙也增大。I-V开关特性研究表明，阈值电流从15 μA增加到31.8 μA，阈值电压从1.04 V增加到2.54 V。本研究表明，通过控制砷的掺入量可以调节材料的结构、光学和电学性质。高热稳定性和改善的电阻对比度使得掺砷GeTe成为热稳定的相变存储器电子器件和未来神经形态计算应用的有吸引力的候选材料。
引言
随着大数据项目、人工智能、机器学习、物联网以及许多其他数据驱动技术的不断发展，信息量呈指数级增长[1,2]。以数据为中心的技术进步对数据存储提出了全球性的挑战，因为每天都会产生海量数据。据预测，到2030年，数据量将达到612-1000 ZB。这突显了数据量的空前增长以及对先进数据存储技术的需求不断增加。目前的计算机硬件系统基于冯·诺伊曼架构运行，需要在中央处理单元（CPU）和存储单元之间通过共享总线传输大量数据。这种架构导致延迟增加，从而产生了“冯·诺伊曼瓶颈”现象，因为CPU和存储单元需要频繁地移动数据[3]。通过使用非易失性存储器可以解决这一问题，因为它们不仅能够存储数据，还能进行内存计算[4]。相变存储器作为一种新型存储器，具有许多优点，包括非易失性、快速操作、低功耗、数据保留能力强、使用寿命长、循环耐受性良好、良好的可扩展性以及与CMOS工艺的兼容性[5],[6],[7]。与动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）等易失性存储器不同，相变随机存取存储器（PCRAM）是一种非易失性存储器，可以在断电后保持数据，并且读写速度远快于NAND闪存。PCRAM能够以纳秒级速度运行，提供卓越的性能、可扩展性和耐久性，使其成为未来存储器应用的技术领导者之一[8,9]。
相变材料在受到电脉冲或光脉冲加热时可以在非晶态和晶态之间切换，从而实现数据存储[10]。存储是通过在非晶态（具有非常高电阻，称为RESET状态）和晶态（具有非常低电阻，称为SET状态）之间可逆循环来实现的。根据存储器架构的不同，这两种状态被赋予逻辑值“0”或“1”。两种状态之间的电阻差异源于结构变化、键长差异以及载流子浓度的不同[11],[12],[13]。非晶态和晶态之间的电阻差异接近三个到六个数量级。GeTe是一种新型的PCM材料，近年来有很多关于在不同掺杂物作用下改进其性能的研究[14],[15],[16],[17]。研究发现，掺砷可以提高GeTe的结晶温度、增强其热性能并改善非晶态和晶态之间的电阻对比度。在本研究中，砷（As）被用作掺杂物。对掺砷GST的研究表明，砷起到了结晶抑制作用，提高了热稳定性，提升了结晶温度，增强了数据保持能力，减少了漏电流，并增加了非晶态和晶态之间的电阻对比度。这些改进归因于通过额外的共价键（如Ge–As、Sb–As和Te–As）加强了非晶网络，从而降低了编程电流并提高了激活能[18,19]。GeTe的菱形结构具有快速的结晶速率、高电阻对比度、低的RESET功耗和低的结晶速度，使其成为一种坚固且节能的存储器[17,20,21]，并且通过掺砷可以得到进一步优化。此外，通过掺入砷还可以改变GeTe的光学性质。PCM是一种非常有前景的存储材料，因为它实现了内存计算，无需传统的存储器和CPU之间的数据传输。这为高效、可扩展的人工智能提供了有希望的方向，从而推动了当前边缘计算和实时应用的技术极限。
节选内容
实验技术
本实验使用了化学式为(GeTe)1-xAsx（以下简称GTA），其中x=0.10、0.15和0.20的起始材料，分别是纯度为99.999%的Ge（Unique Metals公司）、纯度为99.8%的Te（Sigma-Aldrich公司）和纯度为99.999%的As（Sigma-Aldrich公司）。这些材料按照化学计量比称量后，被密封在石英安瓿瓶中（真空度为10?6?mbar），并在高温摇摆炉中均匀混合。炉子的升温速率为5?°C/min，从室温开始加热
XRD分析
图1显示了未掺杂和在不同温度（150、200和300?°C）下退火的样品的XRD图谱。未掺杂材料的XRD图谱（图1a）没有长程周期性，原子仅呈现出短程有序排列，并且存在朝向某些原子间距离的统计倾向，这属于非晶固体的典型特征[22]。图1b显示，只有在150?°C退火后，GeTe才表现出结晶性，而掺砷的样品则
结论
本研究探讨了在不同温度下退火的GTA相变合金的结构和光学变化，重点关注了退火温度和砷浓度的影响。对于掺砷量为0.20的样品，合金的结晶温度从大约144°C显著升高到237°C，提高了约64%；电阻对比度从原始GeTe的约5个数量级上升到室温下的GTA合金的6个数量级。
CRediT作者贡献声明
Rajkumar Shanajaoba Singh： 起草初稿、可视化处理、方法设计、研究实施、数据分析、概念构思。Mubaris N.K.： 审稿与编辑、方法设计、研究实施。Vinod E. Madhavan： 审稿与编辑、项目管理、资源协调、方法设计、研究实施、资金筹集。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
作者衷心感谢科学与工程研究委员会（SERB文件编号：SRG/2023/001476）和教师研究基金（NITC/(R&C)/2023-2024/FRG/PhaseIIl/(71）提供的财务支持。RSS也非常感谢印度科学研究所的CeNSE》提供的表征设施（GIXRD、XPS、FIB和TEM），这些设施得到了教育部的资助，以及电子与信息技术部纳米任务局的支持
Rajkumar Shanajaoba Singh|N.K. Mubaris|Vinod E. Madhavan
半导体与光电子实验室（SOL），材料科学与工程系，印度喀拉拉邦科泽科德国立理工学院，673601
