【儀表網 研發快訊】 砷(As)是一種高毒性元素，但長期以來一直被廣泛用于半導體制造: 通過將砷注入硅襯底制造N型半導體; 同時，砷也是第二代半導體的標志性材料砷化鎵的主要成分。此外，砷在相變存儲器(PCM)的發現、開發和最終商業化過程有著不可或缺的作用，而相變存儲器是一種新興的存儲器技術、，可填補現代計算機中閃存和內存之間的巨大性能鴻溝。
 

　　早在 1964 年，Northover 和 Pearson 就在砷基鉻化物(即 As-Te-I)中發現了電開關行為。1968年，S. R. Ovshinsky在PRL文章中(Phy. Rev. Lett., 1968, 21, 1450)報道了非晶態 As30Te48Si12Ge10的可重復雙向閾值開關(OTS)現象，同時發現如果將砷的濃度降至5 at.%以下，非晶態和晶態能夠可逆轉變，即相變存儲器的工作原理。至今，越來越多的OTS材料被開發，如Ge-Te, Ge-Se, Ge-S等，而只有砷基OTS材料(As-Se-Ge-Si)是唯一被用于Intel量產的128 Gb相變存儲芯片中(2017年，傲騰)，但是砷在OTS中的作用仍然未知。
 

　　圖1450度退火后GeSAs器件的器件結構以及器件性能

 

　　中國科學院上海微系統與信息技術研究所宋志棠和朱敏研究團隊與華中科技大學、復旦大學、日本群馬大學、英國劍橋大學合作，以自主GeS為母材料，改變其砷元素的含量，首先研究了不同砷含量下OTS器件的性能變化，之后進一步通過拉曼、光熱偏轉譜等實驗手段研究了不同砷含量對OTS微觀結構、能帶以及缺陷態的影響，最終通過與第一性原理計算進行結合揭示了砷在OTS中的內在作用機制：通過對比不同砷含量的GeSAs器件退火前后的性能，發現砷降低了器件的漏電流，提高了性能一致性，抑制了電壓漂移，延長器件壽命至~1010(圖1)，提高了器件的熱穩定性使其能夠抵擋450 ℃后道工藝熱沖擊，并發現砷含量為25 at.%時器件的綜合性能最優(圖2)。將實驗結果與第一性原理計算結合，發現砷加入后形成了更強的As-S鍵阻礙了原子遷移，從而提高了熱穩定性并抑制電壓漂移。此工作闡明了砷在OTS的內在作用機制，為后續OTS材料設計以及性能優化提供了理論指導。
 

　　圖2GeSAs器件與其它OTS器件相比具有最優異的綜合性能

 

　　該工作在2023年9月29號以題為“The Role of Arsenic in the Operation of Sulfur-Based Electrical Threshold Switches”發表在Nature Communications(2023, 14, 6095)上。我所博士畢業生武仁杰、華中科技大學辜融川、日本群馬大學Tamihiro Gotoh教授為第一作者，上海微系統所朱敏研究員、宋志棠研究員和華中科技大學徐明教授為通訊作者，中科院上海微系統所為第一完成單位和通信單位。該工作得到國家優秀青年基金(62322411)、中科院人才計劃、上海科技啟明星(21QA1410800)以及中科院先導B(XDB44010200)等項目的支持。該工作是上海微系統所朱敏研究員從2017年12月回國至今發表的第六項重要工作【Science(2021, 374, 1390)，Nature Communications (2019, 10, 3525), Nature Communications (2020, 11, 4636)，Nature Communications (2023, 14, 6095), Advanced Materials (2023, 35, 2208065)，Advanced Materials(2018, 30, 1706735)】。