上海微系统所阐明砷在双向阈值开关中的作用机制----中国科学院上海微系统与信息技术研究所

科研进展

上海微系统所阐明砷在双向阈值开关中的作用机制

文章来源： | 发布时间：2023-09-30

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砷（As）是一种高毒性元素，但长期以来一直被广泛用于半导体制造: 通过将砷注入硅衬底制造N型半导体; 同时，砷也是第二代半导体的标志性材料砷化镓的主要成分。此外，砷在相变存储器（PCM）的发现、开发和最终商业化过程有着不可或缺的作用，而相变存储器是一种新兴的存储器技术、，可填补现代计算机中闪存和内存之间的巨大性能鸿沟。早在 1964 年，Northover 和 Pearson 就在砷基铬化物（即 As-Te-I）中发现了电开关行为。1968年，S. R. Ovshinsky在PRL文章中（Phy. Rev. Lett., 1968, 21, 1450）报道了非晶态 As₃₀Te₄₈Si₁₂Ge₁₀的可重复双向阈值开关（OTS）现象，同时发现如果将砷的浓度降至5 at.%以下，非晶态和晶态能够可逆转变，即相变存储器的工作原理。至今，越来越多的OTS材料被开发，如Ge-Te, Ge-Se, Ge-S等，而只有砷基OTS材料（As-Se-Ge-Si）是唯一被用于Intel量产的128 Gb相变存储芯片中（2017年，傲腾），但是砷在OTS中的作用仍然未知。

图1 450度退火后GeSAs器件的器件结构以及器件性能

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠和朱敏研究团队与华中科技大学、复旦大学、日本群马大学、英国剑桥大学合作，以自主GeS为母材料，改变其砷元素的含量，首先研究了不同砷含量下OTS器件的性能变化，之后进一步通过拉曼、光热偏转谱等实验手段研究了不同砷含量对OTS微观结构、能带以及缺陷态的影响，最终通过与第一性原理计算进行结合揭示了砷在OTS中的内在作用机制：通过对比不同砷含量的GeSAs器件退火前后的性能，发现砷降低了器件的漏电流，提高了性能一致性，抑制了电压漂移，延长器件寿命至~10¹⁰（图1），提高了器件的热稳定性使其能够抵挡450 后道工艺热冲击，并发现砷含量为25 at.%时器件的综合性能最优（图2）。将实验结果与第一性原理计算结合，发现砷加入后形成了更强的As-S键阻碍了原子迁移，从而提高了热稳定性并抑制电压漂移。此工作阐明了砷在OTS的内在作用机制，为后续OTS材料设计以及性能优化提供了理论指导。

图2 GeSAs器件与其它OTS器件相比具有最优异的综合性能

该工作在2023年9月29号以题为“The Role of Arsenic in the Operation of Sulfur-Based Electrical Threshold Switches”发表在Nature Communications (2023, 14, 6095)上。我所博士毕业生武仁杰、华中科技大学辜融川、日本群马大学Tamihiro Gotoh教授为第一作者，上海微系统所朱敏研究员、宋志棠研究员和华中科技大学徐明教授为通讯作者，中科院上海微系统所为第一完成单位和通信单位。该工作得到国家优秀青年基金（62322411）、中科院人才计划、上海科技启明星（21QA1410800）以及中科院先导B（XDB44010200）等项目的支持。该工作是上海微系统所朱敏研究员从2017年12月回国至今发表的第六项重要工作【Science (2021, 374, 1390)，Nature Communications (2019, 10, 3525), Nature Communications (2020, 11, 4636)，Nature Communications (2023, 14, 6095), Advanced Materials (2023, 35, 2208065)，Advanced Materials (2018, 30, 1706735)】。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41643-6