研究阐明砷在双向阈值开关中的作用机制

文章来源：上海微系统与信息技术研究所

砷（As）是高毒性元素，但长期以来被广泛用于半导体制造，即通过将砷注入硅衬底制造N型半导体。同时，砷是第二代半导体的标志性材料砷化镓的主要成分。砷在相变存储器（PCM）的发现、开发和最终商业化过程具有重要的作用。相变存储器是新兴的存储器技术，可填补现代计算机中闪存和内存之间的性能鸿沟。1964 年，Northover和Pearson在砷基铬化物（即 As-Te-I）中发现了电开关行为。1968年，S. R. Ovshinsky报道了非晶态 As30Te48Si12Ge10的可重复双向阈值开关（OTS）现象，并发现了若将砷的浓度降至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），但砷在OTS中的作用仍然未知。

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、华中科技大学、复旦大学、日本群马大学与英国剑桥大学，以自主GeS为母材料，改变其砷元素的含量，探讨了不同砷含量下OTS器件的性能变化，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、能带及缺陷态的影响，并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。该工作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，提升了性能一致性，抑制了电压漂移，延长了器件寿命至~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（砷含量为25 at.%时器件的综合性能最优，图2）。该工作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。该工作阐明了砷在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。

9月29日，相关研究成果以The Role of Arsenic in the Operation of Sulfur-Based Electrical Threshold Switches为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。上海微系统所为第一完成单位和通信单位。研究工作得到国家自然科学基金、上海青年科技启明星计划和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。

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450度退火后GeSAs器件的器件结构以及器件性能

GeSAs器件与其他OTS器件相比具有最优异的综合性能