1-25、高稳定相变存储器的材料设计和基因探索

徐明^*, 缪向水

华中科技大学光学与电子信息学院

摘要：发展自主研发的大规模高密度存储器是我国的重大战略目标。存储器中的重要分支相变存储（PCM）是很有潜力成为下一代存储器的新型存储技术之一，它是利用相变材料在晶体和非晶体之间的快速转换来实现“0”和“1”的开关。在相变存储芯片中，只需要利用一个皮秒级别的电脉冲对晶体进行加热，晶体相变材料就会快速熔化淬火，转变为高电阻非晶态。反之，对非晶态的相变材料施加一个纳秒级别的电脉冲，非晶就会退火结晶，返回低阻态。非晶态和晶态相变材料有2-4个数量级的电阻率对比度，从而可以利用一个微弱的电流信号来读取存储单元上的数据。

由于晶态和非晶态存在较大密度差，所以在相变的过程中存储单元会有6-8%的体积变化。这种体积的变化会在器件内部产生应力，严重降低存储介质的稳定性，大大缩短器件的寿命。尤其是在目前的高密度存储中，每个存储单元大小达到纳米量级，器件在相变的过程中承受的应力更大甚至会影响相邻的存储单元。更为严重的是，在多次擦写过程中，存储单元出现小的空洞，这些空洞会在电极处聚集，最终导致了器件的失效。

为了延长该存储器的寿命，我们利用高通量计算对材料进行了筛选。首先建立了一批不同材料、不同掺杂的相变材料模型，通过第一性原理获得了能量最低点的晶格常数。然后利用第一性原理分子动力学加热到较高温度，将这些晶体熔化并快速降温淬火，最后弛豫得到非晶态的基态密度。通过对比它们的密度差，找出了若干晶态和非晶态密度变化较小的材料，并对其进行了实验的验证。利用磁控溅射生长获得若干上述的非晶材料，将部分样品退火获得多晶，用反射X光（XRR）测量薄膜的密度，比较晶体和非晶的密度差。

通过计算和实验发现，在Ge-Sb中掺杂一定量的C时，能够将密度变化从6%降低到3%。此外X光衍射发现，C并没有以第二相析出，良好地保持了存储介质的稳定均匀性。退火实验能观测到显著的结晶，电阻变化达到3个数量级以上，结晶温度和晶态电阻也有明显提高，可以增强存储器的稳定性并降低功耗。为了理解C在Ge-Sb材料中的作用，我们对该材料的结构基因进行了深入研究，发现C在非晶Ge-Sb中形成了紧凑的四面体，大大提高了堆积效率，导致了非晶的密度接近晶体的密度。

该研究利用高通量的材料计算筛选出了若干性能优越的相变材料并进行了实验验证，显著提高了相变存储器的若干特性，体现了材料基因工程方法在开发新材料时的高效性。对该材料进行深入的结构基因探索对于基础材料学有着重要的意义，也对后续科学家和工程师开发同类材料有着指导作用。

通讯作者：徐明， 027-87792692，Email: mxu@hust.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.125