【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 砷(As)是一種高毒性元素，但長期以來一直被廣泛用于半導(dǎo)體制造: 通過將砷注入硅襯底制造N型半導(dǎo)體; 同時，砷也是第二代半導(dǎo)體的標(biāo)志性材料砷化鎵的主要成分。此外，砷在相變存儲器(PCM)的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和最終商業(yè)化過程有著不可或缺的作用，而相變存儲器是一種新興的存儲器技術(shù)、，可填補(bǔ)現(xiàn)代計算機(jī)中閃存和內(nèi)存之間的巨大性能鴻溝。
早在 1964 年，Northover 和 Pearson 就在砷基鉻化物(即 As-Te-I)中發(fā)現(xiàn)了電開關(guān)行為。1968年，S. R. Ovshinsky在PRL文章中(Phy. Rev. Lett., 1968, 21, 1450)報道了非晶態(tài) As30Te48Si12Ge10的可重復(fù)雙向閾值開關(guān)(OTS)現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)如果將砷的濃度降至5 at.%以下，非晶態(tài)和晶態(tài)能夠可逆轉(zhuǎn)變，即相變存儲器的工作原理。至今，越來越多的OTS材料被開發(fā)，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量產(chǎn)的128 Gb相變存儲芯片中(2017年，傲騰)，但是砷在OTS中的作用仍然未知。
圖1450度退火后GeSAs器件的器件結(jié)構(gòu)以及器件性能
中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠和朱敏研究團(tuán)隊與華中科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、日本群馬大學(xué)、英國劍橋大學(xué)合作，以自主GeS為母材料，改變其砷元素的含量，首先研究了不同砷含量下OTS器件的性能變化，之后進(jìn)一步通過拉曼、光熱偏轉(zhuǎn)譜等實(shí)驗(yàn)手段研究了不同砷含量對OTS微觀結(jié)構(gòu)、能帶以及缺陷態(tài)的影響，最終通過與第一性原理計算進(jìn)行結(jié)合揭示了砷在OTS中的內(nèi)在作用機(jī)制：通過對比不同砷含量的GeSAs器件退火前后的性能，發(fā)現(xiàn)砷降低了器件的漏電流，提高了性能一致性，抑制了電壓漂移，延長器件壽命至~1010(圖1)，提高了器件的熱穩(wěn)定性使其能夠抵擋450 ℃后道工藝熱沖擊，并發(fā)現(xiàn)砷含量為25 at.%時器件的綜合性能最優(yōu)(圖2)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一性原理計算結(jié)合，發(fā)現(xiàn)砷加入后形成了更強(qiáng)的As-S鍵阻礙了原子遷移，從而提高了熱穩(wěn)定性并抑制電壓漂移。此工作闡明了砷在OTS的內(nèi)在作用機(jī)制，為后續(xù)OTS材料設(shè)計以及性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。
圖2GeSAs器件與其它OTS器件相比具有最優(yōu)異的綜合性能
該工作在2023年9月29號以題為“The Role of Arsenic in the Operation of Sulfur-Based Electrical Threshold Switches”發(fā)表在Nature Communications(2023, 14, 6095)上。我所博士畢業(yè)生武仁杰、華中科技大學(xué)辜融川、日本群馬大學(xué)Tamihiro Gotoh教授為第一作者，上海微系統(tǒng)所朱敏研究員、宋志棠研究員和華中科技大學(xué)徐明教授為通訊作者，中科院上海微系統(tǒng)所為第一完成單位和通信單位。該工作得到國家優(yōu)秀青年基金(62322411)、中科院人才計劃、上海科技啟明星(21QA1410800)以及中科院先導(dǎo)B(XDB44010200)等項目的支持。該工作是上海微系統(tǒng)所朱敏研究員從2017年12月回國至今發(fā)表的第六項重要工作【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)】。
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