High-Threshold-Stability GeSe-Based Selector-Only Memory Enabled by Gallium Doping

doi:10.1109/LED.2025.3598975

High-Threshold-Stability GeSe-Based Selector-Only Memory Enabled by Gallium Doping

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DOI：10.1109/LED.2025.3598975

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选择器专用存储器（SOM），利用相变阈值开关（OTS）器件中的阈值电压（ ${\mathrm {V}}_{\mathbf {\textit {th}}}$ ）偏移进行数据存储，因其低延迟、高密度和成本效益而成为一种有前景的存储级内存（SCM）候选方案。然而， ${\mathrm {V}}_{\mathbf {\textit {th}}}$ 的不稳定性，包括可变性和漂移，仍是主要的可靠性挑战。本文提出了一种镓（Ga）掺杂策略以增强 ${\mathrm {V}}_{\mathbf {\textit {th}}}$ 的稳定性。在双能量阱OTS模型的指导下，我们采用基于第一性原理的分子动力学（AIMD）计算，分析了不同掺杂剂对配位数（CNs）和成键特性的影响，这些因素决定了SOM材料中 ${\mathrm {V}}_{\mathbf {\textit {th}}}$ 的稳定性，并确定Ga为最优掺杂剂。与未掺杂的GeSe基SOM（ $\gamma =35.1$ mV/dec，耐久性 $= {10}^{{6}}$ 周期）相比，Ga掺杂的SOM表现出显著增强的性能：漂移减小（16.5 mV/dec）、耐久性提高（ $\gt {10}^{{9}}$ 周期）、可变性抑制（ $\sigma ~0\lt 0.2$ V， $\sigma 1\lt 0.068$ V， $\sigma $ 定义为 ${\mathrm {V}}_{\mathbf {\textit {th}}}$ 之间的标准差），以及增强的热稳定性（>400°C）。值得注意的是，过量掺杂会降低性能，这与理论预测一致，并验证了我们的筛选方法。本研究为开发高可靠性SOM器件提供了机制见解和实用指导。

Keyword:

Ovonic threshold switch

selector-only memory

Gallium dope

threshold voltage

stability

High-Threshold-Stability GeSe-Based Selector-Only Memory Enabled by Gallium Doping

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