晶體Ge2Sb2Te5相變機(jī)理的第一性原理研究.pdf

1、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器以其體積小、存儲(chǔ)速度快被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生活的電子產(chǎn)品中。為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，提高半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的性能，各種各樣的新型存儲(chǔ)器被研制出來(lái)，其中包括鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）、磁存儲(chǔ)器(MRAM)、阻變存儲(chǔ)器(RRAM)以及相變存儲(chǔ)器(PCRAM)等。其中，PCRAM以其獨(dú)特的存儲(chǔ)方式、低功耗、可擦寫(xiě)次數(shù)高、與CMOS工藝兼容良好等優(yōu)點(diǎn)受到各界的廣泛關(guān)注。而硫系相變存儲(chǔ)材料GeSbTe(GST)因其優(yōu)異的性能及突出的存儲(chǔ)特性，

2、成為了相變存儲(chǔ)材料的主要研究對(duì)象。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢(shì)方法，對(duì)晶體GST相變材料進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，通過(guò)摻入雜質(zhì)以及空位等方式，探討了缺陷對(duì)硫系相變材料GST電學(xué)特性的影響，為相變存儲(chǔ)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　本征半導(dǎo)體指完全不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體，但實(shí)際半導(dǎo)體不能絕對(duì)的純凈，通常所見(jiàn)的材料中都存在缺陷。晶體中的缺陷通常有三種:摻雜、本征缺陷和反位缺陷。本文主要對(duì)常見(jiàn)的兩種缺陷類(lèi)型—摻雜、本征

3、空位缺陷進(jìn)行探討，即分別對(duì)GST的Si摻雜改性及本征Ge空位缺陷的電學(xué)特性進(jìn)行了研究。
　　(1)摻雜缺陷效應(yīng):根據(jù)摻雜位置的不同可以將摻雜類(lèi)型分為間隙式摻雜和替位式摻雜。間隙式摻雜指在晶體中原子間進(jìn)行摻雜，替位式摻雜指的是摻雜的原子代替本征半導(dǎo)體材料中某個(gè)位置的原子。本文通過(guò)比較晶體體系的形成能大小，確定穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，然后模擬計(jì)算摻雜體系的態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)以及電荷密度等。通過(guò)對(duì)摻雜體系與純凈的GST體系性能的比較，可以發(fā)現(xiàn)摻雜

4、體系呈明顯的P型半導(dǎo)體性質(zhì)且功耗降低、數(shù)據(jù)的保持能力有所提高。當(dāng)考慮摻雜對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系電學(xué)性質(zhì)的影響時(shí)，摻雜的濃度和位置也是研究的重點(diǎn)，因此本文分析了不同的摻雜濃度和不同摻雜位置對(duì)GST體系電子結(jié)構(gòu)和原子間共價(jià)鍵的影響，結(jié)果表明:當(dāng)摻雜濃度保持在20％時(shí)，能夠以最低的摻雜濃度得到最大的摻雜效果，且摻雜的位置對(duì)GST體系電子結(jié)構(gòu)和原子間共價(jià)鍵沒(méi)有影響。同時(shí)，本文分析了不同原子的價(jià)電子的軌道電子態(tài)對(duì)總態(tài)密度的影響，發(fā)現(xiàn)Te原子的 p，d軌道

5、電子態(tài)的作用大于s軌道。
　　(2)本征空位缺陷:比較GST三種本征空位缺陷結(jié)構(gòu)的形成能，可以發(fā)現(xiàn)Ge空位體系是最容易形成的結(jié)構(gòu)。模擬空位體系中的態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)，分別討論空位濃度在10％-40％的情況下體系電子結(jié)構(gòu)的變化，可以得到呈明顯P型半導(dǎo)體性質(zhì)的GST體系，且導(dǎo)帶與帶隙寬度也明顯展寬，當(dāng)空位濃度保持在20％時(shí)，帶隙最大，此時(shí)材料的數(shù)據(jù)保持能力最強(qiáng)。同時(shí)，在不同的晶向上進(jìn)行空位模擬得到體系的電學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯變化。本文最后討論

6、了Ge原子空位對(duì)結(jié)構(gòu)中原子價(jià)電子態(tài)以及原子之間的共價(jià)鍵的影響。結(jié)果表明，空位體系中Te原子價(jià)電子的p，d軌道電子態(tài)的作用遠(yuǎn)大于s軌道，且空位對(duì)體系中共價(jià)鍵的總能量沒(méi)有明顯影響。上述研究成果對(duì)于PCRAM的電學(xué)特性的改善起到一定的理論指導(dǎo)作用。
　　本文對(duì)基于晶體GST材料的相變存儲(chǔ)器中的缺陷效應(yīng)進(jìn)行了一系列的研究。第一章概述了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和相變存儲(chǔ)器的發(fā)展背景及研究現(xiàn)狀;第二章主要講述了本文研究所需的理論依據(jù)及相關(guān)軟件的介紹;第三