论文部分内容阅读
相变材料能够在晶态与非晶态之间进行快速可逆转变;并且两态具有巨大的电学及光学性质差异;这一独特的性质使其不仅在光盘及相变存储器等领域得到应用;并且在非易失逻辑运算及类脑认知领域也有广泛的应用前景。但是;其大规模商业化仍然存在诸多瓶颈问题;比如非晶态的阻值漂移导致的器件稳定性问题;晶态的过低阻值导致的器件高功耗问题。这些问题的解决从根本上依赖于载流子输运特性的深入分析。场效应特性分析被认为是表征半导体材料载流子输运的一种非常重要且有效的手段;采用金属-绝缘体-半导体（MOS）结构;通过场效应诱生载流子的分析可以获取材料缺陷态信息及载流子输运特性。本文深入系统地研究了硫系相变材料的场效应特性;通过非晶态场效应分析了材料的缺陷态特点;通过晶态场效应分析了材料的载流子局域化行为。并在此基础上进行了场效应特性与相变特性融合器件的研究;为相变材料在非易失逻辑运算等领域的拓展应用提供了基础。本文主要工作如下： （1）首先优化了硫系相变薄膜材料的制备工艺;使其满足背栅场效应样品的制备要求。对材料进行成分分析;发现在材料制备过程中存在不可避免的化学计量失配型掺杂;这一现象是硫系相变材料高载流子的成因。通过价带谱、相变异质结分析等手段研究了相变材料的能带特点;为场效应特性研究中的能带分析提供了能带结构分析基础。 （2）制备并表征了背栅场效应样品;完成了相变材料Ge2Sb2Te5晶态与非晶态下的场效应特性测试。通过非晶态场效应特性的分析得到其载流子输运及缺陷态特点;弥补了霍尔效应等常规测试手段的缺陷。其中;分析得到非晶态Ge2Sb2Te5场效应迁移率为 0.048cm·V·s-1;确定其具有高密度的缺陷态能级。进一步通过变温场效应特性分析;确定了深能级缺陷在载流子输运限制中占主要作用。发现并分析了场效应特性的瞬态过程;并据此证明相变材料 Ge2Sb2Te5中存在类似变价对（VAPs）的深能级缺陷行为;为阻值漂移及阈值转换的缺陷解释模型提供了依据。 （3）基于场效应特性分析了晶态Ge2Sb2Te5中无序诱导的载流子局域化;并实现载流子局域化程度的调控。在晶态Ge2Sb2Te5载流子输运的研究中;局域载流子的存在使得霍尔效应无法准确反映载流子浓度变化;而场效应特性的分析过程主要关注诱生载流子;从而避免了载流子浓度变化的影响。通过不同退火温度样品的场效应特性分析;证实了在立方相Ge2Sb2Te5中;随着退火温度升高;迁移率边向费米能级靠近;载流子局域化程度降低;使得材料电阻连续降低;并通过低温磁阻特性测试佐证了这一结果。进一步在2K低温下实现了栅极电场对于载流子局域化程度的调控。这为晶态Ge2Sb2Te5的阻值调控提供了依据;并为相变材料晶态无序相关的多值存储应用提供了理论基础。 （4）提出并制备了基于硫系相变材料Ge2Sb2Te5的背栅器件;实现了场效应特性与相变特性的融合。背栅纳米线器件能够实现相变存储器稳定的SET与RESET操作过程;并且通过施加栅极电压;可以对器件的相变阈值电压进行调控。基于器件的栅调控阈值特性;设计了非易失逻辑电路以实现“或”及“或非”逻辑门;逻辑电路结构简单;操作步骤少。这一研究为相变材料在逻辑器件中的应用提供了新的思路。