晶體Ge2Sb2Te5相變機(jī)理的第一性原理研究.pdf

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

2、成為了相變存儲材料的主要研究對象。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢方法，對晶體GST相變材料進(jìn)行了模擬計算和分析，通過摻入雜質(zhì)以及空位等方式，探討了缺陷對硫系相變材料GST電學(xué)特性的影響，為相變存儲器的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
　　本征半導(dǎo)體指完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體，但實際半導(dǎo)體不能絕對的純凈，通常所見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。本文主要對常見的兩種缺陷類型—摻雜、本征

3、空位缺陷進(jìn)行探討，即分別對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)體材料中某個位置的原子。本文通過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。通過對摻雜體系與純凈的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)考慮摻雜對整個結(jié)構(gòu)體系電學(xué)性質(zhì)的影響時，摻雜的濃度和位置也是研究的重點，因此本文分析了不同的摻雜濃度和不同摻雜位置對GST體系電子結(jié)構(gòu)和原子間共價鍵的影響，結(jié)果表明:當(dāng)摻雜濃度保持在20％時，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GST體系電子結(jié)構(gòu)和原子間共價鍵沒有影響。同時，本文分析了不同原子的價電子的軌道電子態(tài)對總態(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，帶隙最大，此時材料的數(shù)據(jù)保持能力最強。同時，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)沒有明顯變化。本文最后討論

6、了Ge原子空位對結(jié)構(gòu)中原子價電子態(tài)以及原子之間的共價鍵的影響。結(jié)果表明，空位體系中Te原子價電子的p，d軌道電子態(tài)的作用遠(yuǎn)大于s軌道，且空位對體系中共價鍵的總能量沒有明顯影響。上述研究成果對于PCRAM的電學(xué)特性的改善起到一定的理論指導(dǎo)作用。
　　本文對基于晶體GST材料的相變存儲器中的缺陷效應(yīng)進(jìn)行了一系列的研究。第一章概述了半導(dǎo)體存儲器和相變存儲器的發(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