研究闡明砷在雙向閾值開關中的作用機制

　　砷（As）是高毒性元素，但長期以來被廣泛用于半導體制造，即通過將砷注入硅襯底制造N型半導體。同時，砷是第二代半導體的標志性材料砷化鎵的主要成分。砷在相變存儲器（PCM）的發現、開發和最終商業化過程具有重要的作用。相變存儲器是新興的存儲器技術，可填補現代計算機中閃存和內存之間的性能鴻溝。1964 年，Northover和Pearson在砷基鉻化物（即 As-Te-I）中發現了電開關行為。1968年，S. R. Ovshinsky報道了非晶態 As30Te48Si12Ge10的可重復雙向閾值開關（OTS）現象，并發現了若將砷的濃度降至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），但砷在OTS中的作用仍然未知。

　　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，探討了不同砷含量下OTS器件的性能變化，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、能帶及缺陷態的影響，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。該工作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，延長了器件壽命至~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，并發現了砷含量為25 at.%時器件的綜合性能最優（圖2）。該工作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。該工作闡明了砷在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。

　　9月29日，相關研究成果以The Role of Arsenic in the Operation of Sulfur-Based Electrical Threshold Switches為題，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。上海微系統所為第一完成單位和通信單位。研究工作得到國家自然科學基金、上海青年科技啟明星計劃和中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

450度退火后GeSAs器件的器件結構以及器件性能

GeSAs器件與其他OTS器件相比具有最優異的綜合性能