XJIPC OpenIR  > 材料物理与化学研究室
SbTe基相变存储材料的辐射效应及损伤机理研究
周东
学位类型博士
导师郭旗 ; 宋志棠
2013-05-27
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点北京
学位专业微电子学与固体电子学
关键词相变材料 总剂量辐射效应 位移效应 电子束诱导相变 激光诱导相变
其他摘要
随着空间技术的发展,大量电子系统应用于空间辐射环境中。但是辐射环境中存在各种射线及粒子,会对电子元器件造成辐射损伤,导致器件性能退化,从而影响电 子系统的可靠性。存储器是电子系统中各种程序、信息和数据的存储媒介,具有十分重要的作用。但是由于存储器种类繁多,存储原理各不相同,所以辐射损伤的敏 感参数也千差万别,从而严重影响空间的应用和评估。以往研究表明,各类存储器在空间环境中会受到辐射产生电离损伤、位移损伤、单粒子翻转等辐射损伤,从而 严重影响电子系统的稳定性和安全性。相变存储器(Phase change random access memory-PCRAM)作为目前最具潜力的下一代非易失性存储器,相对于目前主流存储器,在密度、功耗、多级存储、保持力等方面具有很大的优势,拥有 很大的应用前景。而相变材料(Phase Change Material-PCM)是相变存储器内部的核心部分,它的性能直接影响相变存储器的性能。本文通过多种射线及粒子对目前较为成熟的相变材料进行辐照, 评估相变材料在辐射环境中的抗辐射能力,分析辐射损伤机理,从而为相变存储器在特殊环境中的应用奠定基础。在本文的研究中,主要取得了以下的成果: (1). 研究了相变材料以及基于Ge2Sb2Te5相变材料的相变存储器单元的总剂量辐射效应。辐照试验选用固定剂量率,在不同总剂量辐照下,检测相变材料的抗辐 射能力。经过总剂量辐照后,材料的相变性能依然优良,各个性能参数(结晶温度、数据保持力、结晶激活能、非晶态和晶态的TEM图像等)保持稳定;相变存储 器单元的阈值电压、阈值电流、高低阻值以及在不同脉冲宽度电信号作用下的RESET和SET过程均未发生明显变化。实验结果说明相变材料具有很强的抗总剂 量辐射能力。γ射线与半导体材料相互作用的过程中,发生电离效应,产生电子空穴对。但是由于相变材料在辐照过程中,没有任何偏置条件,使得产生的电子空穴 对在辐照停止后重新复合,因而对材料特性没有较大的影响。(2). 研究了相变材料在电子束辐射下的辐射效应。辐照试验共分两部分,首先研究了相变材料在高能电子束辐照下的抗辐射能力;其次研究了低能电子束辐照诱导材料相 变的过程。相变材料经过高能电子束辐照后,材料性能依然保持稳定,结晶温度、数据保持力、电导激活能没有发生明显变化,TEM图像及衍射花样显示材料的晶 格结构依然保持原始状态。低能电子束辐照选择以TEM电子束为辐射源,常温原位观测相变材料晶格结构的变化。随着辐照注量的增加,材料逐渐开始结晶,并且 不同掺杂的材料结晶需要的辐照注量也不同。在辐照的过程中,观测了材料的晶体生长方式。根据实验结果,探讨了高低能电子与相变材料相互作用的异同,提出了 低能电子产生的辐射损伤相比高能电子更严重的观点,详细分析了低能电子辐射损伤的机理。(3). 研究了相变材料在质子辐照下的辐射效应。辐照试验分为两个部分,首先研究了相变材料在高能质子辐照下的抗辐射能力;其次研究了相变材料在低能质子辐照下的 抗辐射能力。相变材料经过高能质子辐照后,材料性能保持稳定,结晶温度、数据保持力、电导激活能没有发生明显变化,TEM图像及衍射花样显示材料的晶格结 构依然保持原始状态。低能质子辐照试验的结果显示,材料经过辐照后材料各项性能保持稳定。通过蒙特卡洛方法模拟高低能质子在材料中的穿透深度,产生的空位 以及材料中每种元素吸收的能量,详细分析了质子与相变材料相互作用的过程,探讨了辐射损伤机理。(4). 研究了材料的激光辐射效应。由于相变材料的两种状态具有不同的反射率,通过测试材料在激光辐照下反射率的变化。辐照样品共两种材料,三种不同的组份。辐照 源选择了30ps脉冲激光。经过脉冲激光辐照后,两种材料都可以发生可逆相变。本章详细分析了脉冲激光与相变材料相互作用的过程,探讨了脉冲激光导致相变 材料晶体结构改变的机理以及不同掺杂元素对材料性能的影响。
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With the development of space technolegy, more and more electronic devices will applied in the space radiation environment. Electronic devices will be induced radiation damage by the rays and particals, which are exsit in the radiatonal enviroment. The damage will induce the degration of the devices and influence the reliability of electronic system. Memory is a very important component, because it is the medium to store the program, data and information of the electronic system. The evaluation of the memory for space application is hard to perform due to the great variety, the different mechanism and the diverse radiation sensitive parameter. The previous research showed that the memory will be induced radiation damage (ionization damage, displacement damage, single event upset and so on). Phase change random access memory (PCRAM) appears to be the best candidates for next generation non-volatile memory due to their improved performance. Phase change material (PCM) is the core part of PCRAM, and the properties of PCM have important influences to the PCRAM. In this paper, the radiation resistence ability of PCM has been evaluated by the radiation experiments of various rays and particals. In the present paper, several results can be obtained:(1) The total dose effects of phase change materials and the PCRAM cell, which is based on the alloy of Ge2Sb2Te5 has been investigated. The radiation immune ability of PCM is evaluated by 60Co γ ray irradiation, the dose rate is constant, and the total doses are selected four different doses. After irradiation, the phase transition behavior of PCM keep stable, the properties (the crystallization temperature, the data retention time, the crystallization active energy and the TEM images) of the materials almost have no change. The total dose radiation experiments are taken to the Ge2Sb2Te5-alloy-based PCRAM cell.
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/2509
专题材料物理与化学研究室
作者单位中国科学院新疆理化技术研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
周东. SbTe基相变存储材料的辐射效应及损伤机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2013.
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