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、華中科技大學、復旦大學、日本群馬大學與英國劍橋大學，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，并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，提升了性能一致性，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（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。
