相变存储材料ge2sb2te5的密度研究
摘 要摘 要相变存储器（PCRAM）由于具有能耗低，读写速度快，稳定性好等卓越的特点，被认为是下一代最有发展潜力和前景的存储设备。相变存储器是利用相变材料在晶态和非晶态间相互转变时，在两种状态下截然不同的电阻特性来工作的。Ge-Sb-Te合金被认为是最适合用作相变存储材料的候选材料，其中Ge2Sb2Te5合金是公认研究最多，最成熟的相变存储材料。为了优化相变存储器的结构，本文通过静滴法测量，着重研究了Ge2Sb2Te5合金在固态和液态时的密度变化。同时，还测得了Ge2Sb2Te5合金密度随温度的变化曲线。为了验证数据的准确性，同时在室温下用阿基米德法测密度来进行对比。研究数据表明，Ge2Sb2Te5合金在固态时的密度随着温度的增加而直线下降，在相变点处，出现了一个不连续的密度减小。而在液体状态下，随着温度的升高，密度继续下降。用两种方法在室温测得的密度与报道的数据相接近，都接近于从晶格常数计算得到的结果。通过计算合金体积随温度的变化，可以看出，从室温到熔化，Ge2Sb2Te5合金产生了大约10%的体积变化。这种变化会导致相变存储器中产生较大的应力，影响实际应用。关键词：相变材料，Ge2Sb2Te5，密度，静滴法目 录
第一章 绪论 1
1.1相变存储器概述 1
1.2相变存储材料概述 3
1.3 GeSbTe合金相图 5
1.4 GeSbTe晶体结构 5
1.5 相变机理 6
1.6 测密度的方法 6
1.6.1 静滴法 7
1.6.2 膨胀计法 7
1.6.3 比重瓶法 7
1.6.4 阿基米德法 8
1.6.5 气泡最大压力法 8
1.6.6 γ射线吸收法 9
1.7 立题的背景和意义 10
第二章 实验材料、设备和方法 12
2.1样品制备 12
2.2静滴法 12
2.2.1实验装置 12
2.2.3参数校准 15
2.3阿基米德法 16
第三章 结果 17
3.1基底选择 17
3.2参数校准 19
3.3密度
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1.7 立题的背景和意义 10
第二章 实验材料、设备和方法 12
2.1样品制备 12
2.2静滴法 12
2.2.1实验装置 12
2.2.3参数校准 15
2.3阿基米德法 16
第三章 结果 17
3.1基底选择 17
3.2参数校准 19
3.3密度结果 19
讨 论 22
4.1与报道数据比较 22
4.2 应用讨论 23
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1相变存储器概述
自20世纪90年代以来，人类社会进入信息时代的高速发展时期。其中主要标志就是通信技术及计算机技术的飞速发展和广泛应用。相对应的信息量也日益增大，人们对于信息的传递和存储都有了更高的要求。因此，存储技术在不断发展，一代又一代的存储设备应运而生。过去，数字存储技术主要有三种，分别是：磁式存储技术，光电式存储技术和半导体式存储技术。其中，半导体存储因为它高密度，高速度，低成本等因素脱颖而出，具有良好的发展潜力。半导体存储器是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，按照功能可以分为动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）；按照制造工艺可以分成双极晶体管存储器和MOS晶体管存储器；按照存储原理可以分成静态和动态。尽管半导体存储器种类繁多，可以适用于各种情况，但是它也有缺陷。当电源消失时，信息也随即消失，是一种易失性存储器。
随着时代的发展，半导体存储技术的缺陷也更加明显。因此，半导体存储器渐渐不能满足人们的需求，需要进一步创新和改进。在20世纪50年代到60年代间，奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)开始对无定形物质进行研究，并在1968年发布了关于非晶体相变的论文。从此，非晶体半导体学就产生了。奥弗辛斯基发现晶体从非晶体变为晶体，再从晶体变为非晶体的过程中，两种状态时电阻特性存在差异性。根据这差异性，他将晶体和非晶体状态来代表“0”和“1”，这也就是奥弗辛斯基电子效应。后来，他根据这一理论成功研制出了第一个相变存储器[12]。相变存储器具有许多优点：读写时消耗能耗能量低；工作是稳定性教好；读写速度快等等。因此，相变存储器具有良好的发展潜力和前景，有希望代替其他的存储设备。
当然，相变存储器也存在着几个方面的缺点：在工作过程中，流经元件的电流会导致局部加热，从而使相变材料自身发生相变，这会导致数据丢失；元件之间相互干扰会影响相变存储器的稳定性；元件的电阻范围太宽，会导致存储器失效。这些问题都会影响相变存储器的稳定性，因此，需要对相变存储器的材料进一步研究，并不断完善存储器的结构，去努力探索和创新出新型存储结构。
相变存储器的工作原理如下图11所示。
图11相变存储器的工作原理
从图中可以看到，在相变存储器中，通过加热器就能控制材料在晶态和非晶态之间的可逆转变。当加热相变材料至玻璃转变温度以上时，材料从非晶态转变为晶态，这时就是SET状态；当相变材料加热至融化并速度冷却后，材料又从晶态转变为非晶态，这时就是RESET状态。在这两种状态时，他们的电阻特性截然不同。相变存储器便是利用材料在不同相之间电阻差来工作的。
目前，相变存储器已经成为了国内外研究的热点。我国在20多年前，开始对相变存储器进行研究。过去，我国研究的重点在于相变材料的光学特性，以及在可擦重写相变光盘中的应用。但随着相变存储技术进入高速发展的阶段，我国研究的重心已经转移。目前主要围绕相变材料，芯片设计和制造等方面进行研究。我国对相变存储器的研究处于起步阶段，各种技术并不成熟，与国外还存在着较大差距。在新的发展阶段，我们研究的思路和方向也要与时俱进。在进行相变材料和元件结构等基础研究的同时，也要试着进行创新，突破原来的思路。当研究遇到问题时，要积极与那些技术成熟的公司进行探讨，向他们学习先进的理念。只有这样，才能加快相变存储器从研究到应用的脚步。在2011年，我国第一个自主知识产权的相变存储器芯片研发成功，这也为后面的研发打下了坚实的基础。
1.2相变存储材料概述
目前使用最广泛的相变存储材料是硫系半导体化合物合金材料，主要有Te 基、Se 基和InSb 基合金三类[3]，如GeSbTe，GeTe，GeSb，AsSbTe，AgInSbTe等等。这些材料都具有易非晶化的特性，这也是作为相变材料的必要条件。在这些材料中，GeSbTe合金在晶态和非晶态时具有差别很大的电阻特性。在晶态时，GeSbTe合金具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，因此具有较低的电阻率。在非晶态时，GeSbTe合金则具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，因此具有较高的电阻率。这明显的差异性使GeSbTe合金成为研究的重点，其中Ge2Sb2Te5是目前找到的最理想的相变存储材料。下图12为GeSbTe合金在SET与RESET状态转变的示意图。
图12 GeSbTe合金相变过程中SET和RESET转变进程示意图
从图中可以看出，焦耳热控制了整个转变过程。在SET过程中，GeSb
第一章 绪论 1
1.1相变存储器概述 1
1.2相变存储材料概述 3
1.3 GeSbTe合金相图 5
1.4 GeSbTe晶体结构 5
1.5 相变机理 6
1.6 测密度的方法 6
1.6.1 静滴法 7
1.6.2 膨胀计法 7
1.6.3 比重瓶法 7
1.6.4 阿基米德法 8
1.6.5 气泡最大压力法 8
1.6.6 γ射线吸收法 9
1.7 立题的背景和意义 10
第二章 实验材料、设备和方法 12
2.1样品制备 12
2.2静滴法 12
2.2.1实验装置 12
2.2.3参数校准 15
2.3阿基米德法 16
第三章 结果 17
3.1基底选择 17
3.2参数校准 19
3.3密度
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.7 立题的背景和意义 10
第二章 实验材料、设备和方法 12
2.1样品制备 12
2.2静滴法 12
2.2.1实验装置 12
2.2.3参数校准 15
2.3阿基米德法 16
第三章 结果 17
3.1基底选择 17
3.2参数校准 19
3.3密度结果 19
讨 论 22
4.1与报道数据比较 22
4.2 应用讨论 23
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1相变存储器概述
自20世纪90年代以来，人类社会进入信息时代的高速发展时期。其中主要标志就是通信技术及计算机技术的飞速发展和广泛应用。相对应的信息量也日益增大，人们对于信息的传递和存储都有了更高的要求。因此，存储技术在不断发展，一代又一代的存储设备应运而生。过去，数字存储技术主要有三种，分别是：磁式存储技术，光电式存储技术和半导体式存储技术。其中，半导体存储因为它高密度，高速度，低成本等因素脱颖而出，具有良好的发展潜力。半导体存储器是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，按照功能可以分为动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）；按照制造工艺可以分成双极晶体管存储器和MOS晶体管存储器；按照存储原理可以分成静态和动态。尽管半导体存储器种类繁多，可以适用于各种情况，但是它也有缺陷。当电源消失时，信息也随即消失，是一种易失性存储器。
随着时代的发展，半导体存储技术的缺陷也更加明显。因此，半导体存储器渐渐不能满足人们的需求，需要进一步创新和改进。在20世纪50年代到60年代间，奥弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)开始对无定形物质进行研究，并在1968年发布了关于非晶体相变的论文。从此，非晶体半导体学就产生了。奥弗辛斯基发现晶体从非晶体变为晶体，再从晶体变为非晶体的过程中，两种状态时电阻特性存在差异性。根据这差异性，他将晶体和非晶体状态来代表“0”和“1”，这也就是奥弗辛斯基电子效应。后来，他根据这一理论成功研制出了第一个相变存储器[12]。相变存储器具有许多优点：读写时消耗能耗能量低；工作是稳定性教好；读写速度快等等。因此，相变存储器具有良好的发展潜力和前景，有希望代替其他的存储设备。
当然，相变存储器也存在着几个方面的缺点：在工作过程中，流经元件的电流会导致局部加热，从而使相变材料自身发生相变，这会导致数据丢失；元件之间相互干扰会影响相变存储器的稳定性；元件的电阻范围太宽，会导致存储器失效。这些问题都会影响相变存储器的稳定性，因此，需要对相变存储器的材料进一步研究，并不断完善存储器的结构，去努力探索和创新出新型存储结构。
相变存储器的工作原理如下图11所示。
图11相变存储器的工作原理
从图中可以看到，在相变存储器中，通过加热器就能控制材料在晶态和非晶态之间的可逆转变。当加热相变材料至玻璃转变温度以上时，材料从非晶态转变为晶态，这时就是SET状态；当相变材料加热至融化并速度冷却后，材料又从晶态转变为非晶态，这时就是RESET状态。在这两种状态时，他们的电阻特性截然不同。相变存储器便是利用材料在不同相之间电阻差来工作的。
目前，相变存储器已经成为了国内外研究的热点。我国在20多年前，开始对相变存储器进行研究。过去，我国研究的重点在于相变材料的光学特性，以及在可擦重写相变光盘中的应用。但随着相变存储技术进入高速发展的阶段，我国研究的重心已经转移。目前主要围绕相变材料，芯片设计和制造等方面进行研究。我国对相变存储器的研究处于起步阶段，各种技术并不成熟，与国外还存在着较大差距。在新的发展阶段，我们研究的思路和方向也要与时俱进。在进行相变材料和元件结构等基础研究的同时，也要试着进行创新，突破原来的思路。当研究遇到问题时，要积极与那些技术成熟的公司进行探讨，向他们学习先进的理念。只有这样，才能加快相变存储器从研究到应用的脚步。在2011年，我国第一个自主知识产权的相变存储器芯片研发成功，这也为后面的研发打下了坚实的基础。
1.2相变存储材料概述
目前使用最广泛的相变存储材料是硫系半导体化合物合金材料，主要有Te 基、Se 基和InSb 基合金三类[3]，如GeSbTe，GeTe，GeSb，AsSbTe，AgInSbTe等等。这些材料都具有易非晶化的特性，这也是作为相变材料的必要条件。在这些材料中，GeSbTe合金在晶态和非晶态时具有差别很大的电阻特性。在晶态时，GeSbTe合金具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，因此具有较低的电阻率。在非晶态时，GeSbTe合金则具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，因此具有较高的电阻率。这明显的差异性使GeSbTe合金成为研究的重点，其中Ge2Sb2Te5是目前找到的最理想的相变存储材料。下图12为GeSbTe合金在SET与RESET状态转变的示意图。
图12 GeSbTe合金相变过程中SET和RESET转变进程示意图
从图中可以看出，焦耳热控制了整个转变过程。在SET过程中，GeSb
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