ГеСбТе
GeSbTe ( германий-сурьма-теллур или GST ) представляет собой материал с фазовым переходом из группы халькогенидных стекол , используемый в перезаписываемых оптических дисках и в устройствах памяти с фазовым переходом . Время его рекристаллизации составляет 20 наносекунд, что позволяет битрейты до 35 Мбит /с и возможность прямой перезаписи до 10 Мбит/с. записывать 6 циклы. Он подходит для форматов записи с канавками. Он часто используется в перезаписываемых DVD . Новые модели памяти с фазовым переходом возможны с использованием n-легированного GeSbTe полупроводника . Температура плавления сплава температура составляет около 600 °C (900 К), а кристаллизации — от 100 до 150 °C.
В процессе записи материал стирается, инициализируется в кристаллическое состояние низкоинтенсивным лазерным облучением. Материал нагревается до температуры кристаллизации, но не до температуры плавления, и кристаллизуется. Информация записывается на кристаллической фазе путем нагрева ее пятен короткими (<10 нс) лазерными импульсами высокой интенсивности; материал локально плавится и быстро охлаждается, оставаясь в аморфной фазе. Поскольку аморфная фаза имеет более низкую отражательную способность, чем кристаллическая фаза, данные могут быть записаны в виде темных пятен на кристаллическом фоне. В последнее время появились новые жидкие германийорганические предшественники, такие как изобутилгерман. [1] [2] [3] (IBGe) и тетракис(диметиламино)герман [4] [5] (TDMAGe) были разработаны и использованы в сочетании с металлоорганическими соединениями сурьмы и теллура , такими как трис-диметиламиносурьма (TDMASb) и диизопропилтеллурид (DIPTe) соответственно, для выращивания пленок GeSbTe и других халькогенидов очень высокой чистоты с помощью металлорганических химических веществ. осаждение из паровой фазы (MOCVD). Диметиламиногерманий трихлорид [6] (DMAGeC) также считается хлоридсодержащим и превосходным предшественником диметиламиногермания для осаждения Ge методом MOCVD.
Свойства материала
[ редактировать ]
GeSbTe представляет собой тройное соединение германия , сурьмы и теллура состава GeTe-Sb 2 Te 3 . В системе GeSbTe существует псевдолиния, на которой лежит большинство сплавов. Двигаясь вниз по этой псевдолинии, можно увидеть, что по мере перехода от Sb 2 Te 3 к GeTe температура плавления и температура стеклования материалов увеличиваются, скорость кристаллизации снижается и сохранность данных увеличивается. Следовательно, чтобы получить высокую скорость передачи данных, нам необходимо использовать материал с быстрой скоростью кристаллизации, такой как Sb 2 Te 3 . Этот материал нестабилен из-за его низкой энергии активации. С другой стороны, материалы с хорошей аморфной стабильностью, такие как GeTe, имеют медленную скорость кристаллизации из-за высокой энергии активации. В стабильном состоянии кристаллический GeSbTe имеет две возможные конфигурации: гексагональную и метастабильную гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Однако когда он быстро кристаллизовался, выяснилось, что он имеет искаженную структуру каменной соли . GeSbTe имеет температуру стеклования около 100 °C. [7] GeSbTe также имеет много вакансионных дефектов в решетке, от 20 до 25% в зависимости от конкретного соединения GeSbTe. Следовательно, Te имеет дополнительную неподеленную пару электронов, которая важна для многих характеристик GeSbTe. В GeSbTe также распространены кристаллические дефекты, из-за которых хвост Урбаха в зонной структуре в этих соединениях образуется . GeSbTe обычно относится к p-типу имеется множество электронных состояний, , и в запрещенной зоне составляющих акцепторные и донорные ловушки. GeSbTe имеет два стабильных состояния: кристаллическое и аморфное. Механизм фазового перехода от аморфной фазы с высоким сопротивлением к кристаллической фазе с низким сопротивлением в нановременном масштабе и пороговое переключение являются двумя наиболее важными характеристиками GeSbTe.
Приложения в фазовой памяти
[ редактировать ]Уникальной характеристикой, которая делает память с фазовым переходом полезной в качестве памяти, является способность вызывать обратимый фазовый переход при нагревании или охлаждении, переключаясь между стабильным аморфным и кристаллическим состояниями. Эти сплавы обладают высоким сопротивлением в аморфном состоянии «0» и являются полуметаллами в кристаллическом состоянии «1». В аморфном состоянии атомы имеют ближний атомный порядок и низкую плотность свободных электронов. Сплав также имеет высокое удельное сопротивление и энергию активации. Это отличает его от кристаллического состояния, имеющего низкое удельное сопротивление и энергию активации, дальний атомный порядок и высокую плотность свободных электронов. При использовании памяти с фазовым изменением использование короткого электрического импульса высокой амплитуды, при котором материал достигает точки плавления и быстро охлаждается, переводит материал из кристаллической фазы в аморфную фазу, широко называется током сброса, а использование относительно более длительного и низкого тока Электрический импульс такой амплитуды, при котором материал достигает только точки кристаллизации и имеет время для кристаллизации, позволяющий перейти фазу от аморфного к кристаллическому, известен как ток SET.
Первые устройства были медленными, потребляли много энергии и легко выходили из строя из-за больших токов. Поэтому добиться успеха не удалось, поскольку SRAM и флэш-память взяли верх. Однако в 1980-х годах открытие германия-сурьмы-теллура (GeSbTe) означало, что памяти с фазовым переходом теперь требуется меньше времени и энергии для функционирования. Это привело к успеху перезаписываемых оптических дисков и возобновило интерес к памяти с фазовым переходом. Достижения в области литографии также означали, что ранее чрезмерный ток программирования теперь стал намного меньше, поскольку объем GeSbTe, меняющего фазу, уменьшился.
Память с фазовым переходом обладает многими почти идеальными качествами памяти, такими как энергонезависимость , быстрая скорость переключения, высокая долговечность более 10 13 циклы чтения-записи, неразрушающее чтение, прямая перезапись и длительный срок хранения данных более 10 лет. Единственное преимущество, которое отличает ее от другой энергонезависимой памяти следующего поколения, такой как магнитная память с произвольным доступом (MRAM), — это уникальное преимущество масштабирования, заключающееся в лучшей производительности при меньших размерах. Таким образом, предел масштабирования памяти с фазовым переходом ограничен литографией по крайней мере до 45 нм. Таким образом, он предлагает самый большой потенциал для создания ячеек памяти со сверхвысокой плотностью памяти, которые могут быть коммерциализированы.
Хотя память с фазовым изменением предлагает многообещающие возможности, все еще существуют определенные технические проблемы, которые необходимо решить, прежде чем она сможет достичь сверхвысокой плотности и коммерциализироваться. Наиболее важной задачей для памяти с фазовым изменением является снижение тока программирования до уровня, совместимого с минимальным током управления МОП- транзистором для обеспечения высокой плотности интеграции. В настоящее время ток программирования в фазовой памяти существенно высок. Этот высокий ток ограничивает плотность памяти ячеек памяти с фазовым переходом , поскольку ток, подаваемый транзистором, недостаточен из-за их высокого потребления тока. Следовательно, уникальное преимущество масштабирования памяти с фазовым изменением не может быть полностью использовано.
Показана типовая конструкция запоминающего устройства с фазовым переходом. Он имеет слои, включая верхний электрод, GST, слой GeSbTe, BEC, нижний электрод и диэлектрические слои. Программируемый объем — это объем GeSbTe, контактирующий с нижним электродом. Это та часть, которую можно уменьшить с помощью литографии. Термическая постоянная времени устройства также важна. Термическая постоянная времени должна быть достаточно быстрой, чтобы GeSbTe мог быстро остыть до аморфного состояния во время RESET, но достаточно медленной, чтобы обеспечить возможность кристаллизации во время SET. Термическая постоянная времени зависит от конструкции и материала, из которого изготовлен элемент. Для считывания на устройство подается импульс слабого тока. Небольшой ток гарантирует, что материал не нагреется. Сохраненная информация считывается путем измерения сопротивления устройства.
Пороговое переключение
[ редактировать ]Пороговое переключение происходит, когда GeSbTe переходит из высокоомного состояния в проводящее состояние при пороговом поле около 56 В/мкм. [8] Это можно видеть на графике ток - напряжение (IV), где ток очень мал в аморфном состоянии при низком напряжении до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение. напряжения Ток быстро увеличивается после восстановления . Материал теперь находится в аморфном состоянии «ВКЛ», при этом материал все еще аморфен, но находится в псевдокристаллическом электрическом состоянии. В кристаллическом состоянии ВАХ является омическим . Были споры о том, является ли пороговое переключение электрическим или тепловым процессом. Были предположения, что экспоненциальное увеличение тока при пороговом напряжении должно было быть связано с генерацией носителей, которые экспоненциально изменяются с напряжением, например, в результате ударной ионизации или туннелирования . [9]
Фазовое изменение в нановременном масштабе
[ редактировать ]В последнее время многие исследования были сосредоточены на анализе материалов с фазовым переходом в попытке объяснить высокоскоростной фазовый переход GeSbTe. С помощью EXAFS было обнаружено, что наиболее подходящей моделью для кристаллического GeSbTe является искаженная решетка каменной соли, а для аморфного — тетраэдрическая структура. Небольшое изменение конфигурации от искаженной каменной соли до тетраэдрической предполагает, что возможно фазовое изменение в наномасштабе. [10] поскольку основные ковалентные связи целы, а разрываются только более слабые связи.
Используя наиболее возможные кристаллические и аморфные локальные структуры GeSbTe, тот факт, что плотность кристаллического GeSbTe менее чем на 10% больше, чем плотность аморфного GeSbTe, и тот факт, что свободные энергии как аморфного, так и кристаллического GeSbTe должны быть примерно одинаковой величины, можно была выдвинута гипотеза на основе теории функционала плотности моделирования [11] что наиболее стабильным аморфным состоянием является структура шпинели , где Ge занимает тетраэдрические позиции, а Sb и Te — октаэдрические позиции, поскольку энергия основного состояния была наименьшей из всех возможных конфигураций. С помощью моделирования Кар-Парринелло молекулярно-динамического эта гипотеза была теоретически подтверждена. [12]
Доминирование нуклеации против доминирования роста
[ редактировать ]Другой аналогичный материал — AgInSbTe . Он предлагает более высокую линейную плотность, но имеет меньшее количество циклов перезаписи на 1-2 порядка. Он используется в форматах записи только с канавками, часто на перезаписываемых компакт-дисках . AgInSbTe известен как материал с преобладанием роста, а GeSbTe известен как материал с преобладанием зародышеобразования. В GeSbTe процесс зарождения кристаллизации длится долго, при этом перед коротким процессом роста образуется множество мелких кристаллических зародышей, в ходе которых многочисленные мелкие кристаллы соединяются вместе. В AgInSbTe на стадии зародышеобразования образуется всего несколько зародышей, и на более длительной стадии роста эти зародыши увеличиваются в размерах, так что в конечном итоге они образуют один кристалл. [13]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Део В. Шенаи, Рональд Л. ДиКарло, Майкл Б. Пауэр, Арташес Амамчян, Рэндалл Дж. Гойетт, Эгберт Вулк; Дикарло; Власть; Амамчян; Гойетт; Вулк (2007). «Более безопасные альтернативные жидкие предшественники германия для МОС-гидридной эпитаксии». Журнал роста кристаллов . 298 : 172–175. Бибкод : 2007JCrGr.298..172S . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2006.10.194 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Боси, М.; Аттолини, Г.; Феррари, К.; Фригери, К.; Римада Эррера, JC; Гомбия, Э.; Пелоси, К.; Пэн, RW (2008). «Выращивание гомоэпитаксиального германия методом MOVPE». Журнал роста кристаллов . 310 (14): 3282. Бибкод : 2008JCrGr.310.3282B . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2008.04.009 .
- ^ Аттолини, Г.; Боси, М.; Мусаева Н.; Пелоси, К.; Феррари, К.; Арумайнатан, С.; Тимо, Г. (2008). «Гомо- и гетероэпитаксия германия с использованием изобутилгермана». Тонкие твердые пленки . 517 (1): 404–406. Бибкод : 2008TSF...517..404A . дои : 10.1016/j.tsf.2008.08.137 .
- ^ М. Лонго, О. Салисио, К. Вимер, Р. Фаллика, А. Молле, М. Фанчулли, К. Гизен, Б. Зейцингер, П. К. Бауманн, М. Хойкен, С. Рашворт; Салисио; Вимер; Фаллика; Молле; Фанчулли; Гизен; Зейтцингер; Бауманн; Хойкен; Рашворт (2008). «Исследование роста GexSbyTez, осажденного методом MOCVD в азоте, для приложений энергонезависимой памяти». Журнал роста кристаллов . 310 (23): 5053–5057. Бибкод : 2008JCrGr.310.5053L . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2008.07.054 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ А. Абрутис, В. Плаусинайтене, М. Скапас, К. Вимер, О. Салисио, А. Пировано, Э. Варези, С. Рашворт, В. Гавелда, Дж. Сигел; Плаузинайтеен; Скапас; Вимер; Салисио; Пировано; Вареси; Рашворт; Гавелда; Сигел (2008). «Химическое осаждение халькогенидных материалов из паровой фазы с помощью горячей проволоки для приложений с памятью фазового перехода». Химия материалов . 20 (11): 3557. дои : 10,1021/см8004584 . hdl : 10261/93002 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Х. Ши; М. Шекерс; Ф. Лейс; Р. Лоо; М. Каймакс; Р. Брус; К. Чжао; Б. Ламаре; Э. Вулк; Д. Шенаи (2006). «Прекурсоры германия для осаждения Ge и SiGe». ECS-транзакции . 3 : 849. дои : 10.1149/1.2355880 . S2CID 110550188 .
- ^ Моралес-Санчес, Э.; Прохоров Е.Ф.; Мендоса-Гальван, А.; Гонсалес-Эрнандес, Дж. (15 января 2002 г.). «Определение температур стеклования и зародышеобразования в напыленных пленках Ge 2 Sb 2 Te 5 ». Журнал прикладной физики . 91 (2). Издательство AIP: 697–702. Бибкод : 2002JAP....91..697M . дои : 10.1063/1.1427146 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Кребс, Дэниел; Рау, Симона; Реттнер, Чарльз Т.; Берр, Джеффри В.; Салинга, Мартин; Вуттиг, Матиас (2009). «Пороговое поле материалов с памятью фазового изменения, измеренное с помощью мостовых устройств фазового изменения». Письма по прикладной физике . 95 (8): 082101. Бибкод : 2009АпФЛ..95х2101К . дои : 10.1063/1.3210792 .
- ^ Пировано, А.; Лакаита, Алабама; Бенвенути, А.; Пеллизцер, Ф.; Без, Р. (2004). «Электронное переключение в памяти с фазовым изменением». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 51 (3). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 452–459. Бибкод : 2004ITED...51..452P . дои : 10.1109/тед.2003.823243 . ISSN 0018-9383 . S2CID 43106563 .
- ^ Колобов Александр Владимирович; Фонс, Пол; Френкель, Анатолий И.; Анкудинов Алексей Л.; Томинага, Дзюнджи; Уруга, Томоя (12 сентября 2004 г.). «Понимание механизма фазового изменения перезаписываемых оптических носителей». Природные материалы . 3 (10). Спрингер Природа: 703–708. Бибкод : 2004NatMa...3..703K . дои : 10.1038/nmat1215 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 15359344 . S2CID 677085 .
- ^ Вуттиг, Матиас; Люзебринк, Даниэль; Вамванги, Дэниел; Велник, Войцех; Гиллессен, Михаэль; Дронсковски, Ричард (17 декабря 2006 г.). «Роль вакансий и локальных искажений в создании новых материалов с фазовым переходом». Природные материалы . 6 (2). Спрингер Природа: 122–128. дои : 10.1038/nmat1807 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 17173032 .
- ^ Каравати, Себастьяно; Бернаскони, Марко; Кюне, Томас Д.; Крак, Матиас; Парринелло, Микеле (2007). «Сосуществование тетраэдрических и октаэдрических участков в аморфных материалах с фазовым переходом». Письма по прикладной физике . 91 (17): 171906. arXiv : 0708.1302 . Бибкод : 2007ApPhL..91q1906C . дои : 10.1063/1.2801626 . S2CID 119628572 .
- ^ Кумбс, Дж. Х.; Йонгенелис, APJM; ван Эс-Спикман, В.; Джейкобс, BAJ (15 октября 1995 г.). «Явления лазерной кристаллизации в сплавах на основе GeTe. I. Характеристика зарождения и роста». Журнал прикладной физики . 78 (8). Издательство AIP: 4906–4917. Бибкод : 1995JAP....78.4906C . дои : 10.1063/1.359779 . ISSN 0021-8979 .