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As?S?掺杂显著抑制Ge?Sb?Te?薄膜结晶，提升非晶态稳定性，10年数据保留温度达106.7°C，阈值电流降低，COMSOL模拟显示热confinement增强和局部加热优化，为高温低功耗相变存储器提供新方向。
沙欣·帕尔文（Shahin Parveen）|尼迪·巴特（Nidhi Bhatt）|阿卜杜勒·瓦布（Abdul Whab）|穆罕默德·穆因·哈桑·拉扎（Mohammad Moeen Hasan Raza）|维诺德·埃尔卡拉·马德哈万（Vinod Erkkara Madhavan）|普姆利安蒙加（Pumlianmunga）
印度新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学（Jamia Millia Islamia，中央大学）物理系，邮编110025
摘要
本研究探讨了As2S3掺杂对Ge2Sb2Te5（GST）薄膜的结构、热性能和电性能的影响，旨在提高其作为相变存储器（PCM）应用的适用性。合成了一系列As2S3掺杂的GST样品，并通过XRD、拉曼光谱、VIS-NIR光谱以及热电测量对其进行了分析。结果表明，As2S3的掺入有效抑制了结晶过程，增强了非晶相的稳定性，并提高了热耐受性。当As2S3掺杂量为21原子百分比时，10年数据保持温度从78°C（未掺杂GST）升高到了106.7°C。电学开关测量显示阈值电流有所降低。此外，COMSOL Multiphysics模拟表明掺杂薄膜具有更好的热限制效应和更集中的加热分布，这直接影响了功耗。这些发现表明，As2S3掺杂的GST为高性能和热稳定的PCM器件提供了有前景的方向。
引言
相变存储器（PCM）作为下一代非易失性存储技术之一，具有较高的切换速度、非易失性、低延迟和可扩展性等优点，优于传统的闪存（Flash memory）、DRAM和SRAM [1]、[2]、[3]。其工作原理依赖于某些硫属化合物在热刺激下在非晶态和晶态之间的可逆转变，这种刺激通常由电脉冲或光脉冲引发。短时高强度脉冲会使材料熔化，随后迅速冷却形成非晶态（RESET状态）；而长时间低强度脉冲则促进材料重新结晶为导电晶态（SET状态）[4]。这两种不同的相具有不同的电学和光学特性，适合高密度数据存储和神经形态计算应用 [2]、[4]、[5]、[6]。
在各种硫属化合物中，Ge2Sb2Te5（GST）因其快速的结晶动力学、可靠的切换行为和成熟的集成潜力而被广泛研究 [7]、[8]、[9]。从结构上看，GST经历两阶段相变：加热时非晶态在约150°C转变为亚稳态的面心立方（FCC）相，随后在250°C以上转变为更稳定的六方（HEX）相 [10]、[11]。这一转变过程对PCM器件的切换速度、数据保持能力和功耗效率起着关键作用。然而，GST也存在一些固有的局限性，限制了其在高要求应用中的性能。特别是其相对较低的结晶温度（< 260°C）影响了热稳定性，使其在高温操作时容易发生意外结晶 [12]。此外，GST通常需要较高的RESET电流才能熔化，从而导致功耗增加，这对能源敏感或便携式电子设备来说是不利的 [2]。
为了解决这些问题，人们采用了多种掺杂策略来调整GST的热性能和电性能。Se [7]、[13]、Zn [14]、[15]、N [16]、[17]、C [18]、[19]、Si [20]、As [21] 和 O [22]、[23] 等掺杂剂已被证明能够改变结晶温度、增强非晶相的稳定性并提高数据保持能力。这些掺杂剂可以显著影响结晶动力学，促使非晶态直接转变为HEX相 [21]，或改变相变所需的活化能 [20]。例如，氮掺杂可以提高结晶温度并延迟HEX相的形成 [16]，而碳和锌则能提高转变温度并改善数据保持能力。值得注意的是，用氧（O）、硫（S）、硒（Se）和碲（Te）等硫属元素掺杂可显著提高GST薄膜的覆盖循环性和数据保持温度。氧掺杂通过提高氧化物（如GeO2、Sb2O3和TeO2）的熔点来增强记录灵敏度并抑制重复切换过程中的数据丢失 [23]。硒掺杂通过抑制亚稳态FCC相，实现一步结晶（非晶态到HEX相），同时促进-Se-Se-或-Se-Se-堆叠结构的形成，从而提高结构稳定性 [7]、[24]。
基于砷的掺杂因砷的化学反应性和价电子构型而受到特别关注，砷与锑具有相似的性质，同时与锗具有相近的原子半径和质量。这种双重相似性使得砷原子可以替代S或Ge的位置，也可以占据间隙或空位，从而灵活地修改GST的微观结构。研究表明，砷掺杂通过提高相变所需的退火温度来增强热稳定性，并增加非晶态和晶态之间的电阻率差异，从而改善数据保持能力和降低RESET电流 [21]。
在本研究中，我们探讨了三硫化砷（As2S3）掺杂对GST薄膜相变行为和电性能的影响。As2S3是一种稳定的硫属玻璃材料，具有高热稳定性、强的成玻璃能力和独特的结构灵活性 [25]、[26]。将其掺入GST基质中可以改变局部键合环境，稳定非晶相，并提高结晶温度，同时降低RESET操作时的功耗。通过系统分析结构相、热特性和电性能，我们旨在明确As2S3掺杂在提升GST基PCM器件在高温和低功耗应用中的性能和可靠性方面的作用。
实验部分
实验工作
采用熔融淬火法制备了一系列不同掺杂水平的As2S3掺杂GST样品（掺杂量x = 0、7、14和21%；其中x=0的样品已在我们之前的研究中报道 [27]）。根据所需的化学计量比称量高纯度的Ge、Sb、Te、As和S元素前驱体，并将其密封在真空石英安瓿管中（约2 × 10?6 mbar）。将安瓿管缓慢加热至850°C并保持48小时，以确保混合物完全熔化且均匀。
X射线衍射（XRD）分析
在各种温度下退火后，使用X射线衍射仪（XRD）分析了(Ge2Sb2Te5)1-x(As2S3)x（x = 0、0.07、0.14、0.21）薄膜的结构特性。图1中的衍射图清楚地显示了从非晶态到混合亚稳态FCC和HEX相的有序转变，最终转变为稳定的HEX相。所有在室温下沉积的GST和As2S3掺杂GST薄膜的XRD谱线都显示出宽的衍射峰。
结论
本研究详细研究了As2S3掺杂的Ge2Sb2Te5（GST）薄膜，重点探讨了其在先进PCM应用中的潜力。结构分析证实，As2S3有效抑制了结晶过程并增强了非晶相的稳定性。值得注意的是，掺杂薄膜的数据保持能力得到了提升，当As2S3掺杂量为21原子百分比时，10年数据保持温度从78°C（未掺杂GST）升高到了超过106.7°C。电学I-V分析也显示了...
CRediT作者贡献声明
沙欣·帕尔文（Shahin Parveen）：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、实验研究、数据分析。尼迪·巴特（Nidhi Bhatt）：数据可视化、方法论设计、数据分析。阿卜杜勒·瓦布（Abdul Whab）：数据可视化、方法论设计、数据分析。穆罕默德·穆因·哈桑·拉扎（Mohammad Moeen Hasan Raza）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、数据分析。维诺德·埃尔卡拉·马德哈万（Vinod Erkkara Madhavan）：撰写、审稿与编辑、资源提供。普姆利安蒙加（Pumlianmunga）：撰写、审稿与编辑、结果验证。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：普姆利安蒙加表示获得了科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢印度政府的科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board, SERB）和科学技术部（Department of Science and Technology, DST）在项目编号EEQ/2018/001158下的财政支持。同时感谢新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学（Jamia Millia Islamia）提供的XRD和拉曼光谱设施，以及新德里IUAC提供的VIS-NIR光谱和HR-TEM设备。作者还要感谢新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学的莫蒂乌尔·拉赫曼·汗（Dr. Motiur Rahman Khan）在实验中的宝贵帮助。
