Кіріспе
Германий, сурьма және теллурдан тұратын GeSbTe (германий-сурьма-теллур немесе GST) материалы – қайта жазылатын оптикалық дискілерде және фазалық өзгерісті жадта қолданылатын халькогенидтік шынылар тобына жататын фазалық өзгеріс материалы. Оның қайта кристалдану уақыты 20 наносекунд құрайды, бұл 35 Мбит/с дейін біттерді жазуға және 106 циклға дейін тікелей қайта жазу мүмкіндігін береді. Бұл материал жер бетіне ойық жазу форматтарына сәйкес келеді. Көбінесе қайта жазылатын DVD-де қолданылады. n-доптанған GeSbTe жартылай өткізгішін пайдалану арқылы жаңа фазалық өзгерісті жадтарды жасауға болады. Қоспаның балқу температурасы шамамен 600 °C (900 K) ал кристалдану температурасы 100 және 150 °C аралығында болады. Жазу кезінде материал төмен интенсивті лазерлік сәулелендіру арқылы өшіріліп, кристаллдық күйге басталады. Материал балқу температурасына емес, кристалдану температурасына дейін қызып, кристалданады. Ақпарат кристаллдық фазада, оның қысқа (<10 нс) және жоғары интенсивті лазерлік импульстерімен қыздырылған нүктелер арқылы жазылады; материал жергілікті түрде еруге ұшырап, тез суытылады және аморфты фазада қалады. Аморфты фаза кристалдық фазаға қарағанда төменгі шағылыстыру қабілетіне ие болғандықтан, деректер кристалдық фонға қараңғы дақтар түрінде жазылуы мүмкін. Соңғы уақыттарда изобутилгерман (IBGe) және тетракис(диметиламино)герман (TDMAGe) сияқты жаңа сұйық органогерманий прекурсорлары, сондай-ақ сурьма және теллурдың металлорганикалық қосылыстары, мысалы, тис диметиламино сурьма (TDMASb) және диизопропил теллуриді (DIPTe) GeSbTe және басқа да өте таза халькогенидтік пленкаларды өсіру үшін металлорганикалық химиялық бу фазасы (MOCVD) әдісімен қолданылды. Диметиламиногерманий трихлориді (DMAGeC) MOCVD арқылы германийді жинақтау үшін хлоридті құрамында қамтитын және жоғары сапалы диметиламиногерманий прекурсоры ретінде де хабарланды.
GeSbTe (germanium antimony tellurium or GST) is a phase change material from the group of chalcogenide glasses used in rewritable optical discs and phase change memory applications. Its recrystallization time is 20 nanoseconds, allowing bitrates of up to 35 Mbit/s to be written and direct overwrite capability up to 106 cycles. It is suitable for land groove recording formats. It is often used in rewritable DVDs. New phase change memories are possible using n doped GeSbTe semiconductor. The melting point of the alloy is about 600 °C (900 K) and the crystallization temperature is between 100 and 150 °C. During writing, the material is erased, initialized into its crystalline state, with low intensity laser irradiation. The material heats up to its crystallization temperature, but not its melting point, and crystallizes. The information is written at the crystalline phase, by heating spots of it with short (<10 ns), high intensity laser pulses; the material melts locally and is quickly cooled, remaining in the amorphous phase. As the amorphous phase has lower reflectivity than the crystalline phase, data can be recorded as dark spots on the crystalline background. Recently, novel liquid organogermanium precursors, such as isobutylgermane (IBGe) and tetrakis(dimethylamino)germane (TDMAGe) were developed and used in conjunction with the metalorganics of antimony and tellurium, such as tris dimethylamino antimony (TDMASb) and di isopropyl telluride (DIPTe) respectively, to grow GeSbTe and other chalcogenide films of very high purity by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). Dimethylamino germanium trichloride (DMAGeC) is also reported as the chloride containing and superior dimethylaminogermanium precursor for Ge deposition by MOCVD.
Материалдық қасиеттері
GeSbTe – германий, сурьма және теллурдың үштік қосылысы, құрамы GeTe Sb2Te3. GeSbTe жүйесінде, көрсетілгендей, көптеген қорытпалар орналасқан псевдосызық бар. Бұл псевдосызық бойынша төмен қарай жылғанда, Sb2Te3-тен GeTe-ге өткелде материалдардың балқу температурасы мен шыныға түсу температурасының артатыны, кристалдану жылдамдығының төмендейтіні және деректерді сақтау қабілетінің жоғарылайтыны байқалады. Сондықтан, жоғары деректерді беру жылдамдығын қамтамасыз ету үшін Sb2Te3 сияқты жылдам кристалдану жылдамдығына ие материалды қолдану қажет. Бұл материалдың төмен белсендіру энергиясы болғандықтан тұрақтылығы төмен. Ал GeTe сияқты аморфтық тұрақтылығы жоғары материалдардың кристалдану жылдамдығы жоғары белсендіру энергиясының салдарынан баяу болады. Тұрақты күйде кристаллды GeSbTe екі мүмкін конфигурацияда болуы мүмкін: гексагонды және метатұрақты бетке ортақтасқан кубтық (FCC) тор. Бірақ, ол жылдам кристалданып кеткенде, бұрмаланған тау тұзы құрылымына ие екені анықталды. GeSbTe-нің шыныға түсу температурасы шамамен 100 °C-қа тең. GeSbTe торда 20-25% аралығында бос орындардың көп болуына ие, бұл нақты GeSbTe қосылысына байланысты. Сондықтан Te-де электронның қосымша жұптасқан электрондық қабаты бар, ол GeSbTe-нің көптеген қасиеттері үшін маңызды. GeSbTe-де кристалл ақаулары да жиі кездеседі, және осы ақаулардың нәтижесінде бұл қосылыстардың энергиялық жолақ құрылымында Урбах құйрығы пайда болады. GeSbTe әдетте p-типті болып табылады және жолақ аралығында қабылдағыштар мен донорлар сияқты тұзақтарды есепке алатын көптеген электрондық күйлерге ие. GeSbTe екі тұрақты күйге ие: кристалл және аморфтық. Наносекундтық уақыт шкаласындағы жоғары кедергілі аморфтық фазадан төмен кедергілі кристалдық фазаға фазалық өту механизмі және шектік ауысу GeSbTe-нің ең маңызды екі қасиеті болып табылады.
Фазалық өзгерісті жадтағы қолданулар
Фазалық өзгерістер жадының жады ретінде пайдалы болатынының ерекше қасиеті – жылу немесе салқындату кезінде қайтымды фазалық өзгерістерді жасау мүмкіндігі, тұрақты аморфты және кристалдық күйлер арасында ауысу. Бұл қорытпалар аморфты күйде ‘0’ жоғары кедергіге ие, ал кристалдық күйде ‘1’ жартылай металл болып табылады. Аморфты күйде атомдардың атомдық реті қысқа және бос электрон тығыздығы төмен болады. Қорытпаның жоғары кедергісі мен белсенділік энергиясы да бар. Бұл оны кристалдық күйден – төмен кедергісімен, белсенділік энергиясымен, ұзақ қашықтықтағы атомдық ретімен және жоғары бос электрон тығыздығымен ерекшелендіреді. Фазалық өзгерістер жадында қолданылғанда, материалды балқу температурасына жеткізіп, одан кейін жылдам салқындату арқылы кристалдық фазадан аморфты фазаға өзгертетін қысқа, жоғары амплитудалы электр импульсін қолдану ‘RESET’ тогы деп аталады. Ал материалды тек кристалдану температурасына жеткізіп, кристалданғанына уақыт беру арқылы аморфтыдан кристалдық фазаға өтуге мүмкіндік беретін салыстырмалы түрде ұзақ, төмен амплитудалы электр импульсі ‘SET’ тогы деп аталады. Алғашқы құрылғылар үлкен тоқтардың салдарынан баяу, көп қуат тұтынатын және тез бұзылатын. Сондықтан SRAM және флэш-жад оларды ығыстырғандықтан, сәттілікке жете алмады. Бірақ 1980 жылдары германий-антимон-теллур (GeSbTe) ашылуы фазалық өзгерістер жадының жұмыс істеуі үшін аз уақыт және қуат қажет екенін көрсетті. Бұл қайта жазылатын оптикалық дискінің табысына әкелді және фазалық өзгерістер жадына деген қызығушылықты қайта жақтандырды. Литографиядағы жетістіктер бұрынғы артық бағдарламалау тогының енді GeSbTe фазасын өзгертетін көлемнің кішіреюіне байланысты әлдеқайда төмендеуіне мүмкіндік берді. Фазалық өзгерістер жадының ұшпауы, жылдам ауысу жылдамдығы, 1013-тен астам оқу-жазу циклдарына жоғары төзімділік, жойғыш емес оқу, тікелей жазу және 10 жылдан астам ұзақ сақтау уақыты сияқты көптеген идеалды жад қасиеттері бар. Оны магниттік кездейсоқ кіру жады (MRAM) сияқты келесі буынның басқа ұшпалы емес жадтарынан ерекшелейтін бір артықшылығы – кішірек өлшемдерде жақсы өнімділікке ие болудың ерекше масштабтау артықшылығы. Фазалық өзгерістер жадының масштабталу шегі литографиямен кем дегенде 45 нм дейін шектеледі. Фазалық өзгерістер жады үлкен үміттер беретін болса да, коммерциялық өндіріске шығу үшін және жоғары тығыздыққа жету үшін шешілуі керек белгілі бір техникалық мәселелер бар. Фазалық өзгерістер жадының ең маңызды міндеті – бағдарламалау тогын жоғары тығыздықты интеграция үшін ең төменгі MOS транзисторлық жетекші тоқпен үйлесімді деңгейге дейін төмендету. Қазіргі уақытта фазалық өзгерістер жадындағы бағдарламалау тогы айтарлықтай жоғары. Бұл жоғары ток транзистордың жеткілікті тоқ беру мүмкін болмауына байланысты фазалық өзгерістер жады жады жасушаларының тығыздығын шектейді. Сондықтан фазалық өзгерістер жадының ерекше масштабтау артықшылығы толыққанды пайдаланылмайды. Типтік фазалық өзгерістер жады құрылғысының дизайны көрсетілген. Онда жоғарғы электрод, GST, GeSbTe қабаты, BEC, төменгі электрод және диэлектрлік қабаттар бар. Бағдарламаланатын көлем – төменгі электродпен жанасатын GeSbTe көлемі. Бұл литография арқылы өлшемі азайтылатын бөлік. Құрылғының жылулық уақыт тұрақтылығы да маңызды. Жылулық уақыт тұрақтысы GeSbTe-нің ‘RESET’ кезінде аморфты күйге тез суынуы үшін жеткілікті жылдам болуы керек, бірақ ‘SET’ күйінде кристалдануға мүмкіндік беретіндей жеткілікті баяу болуы керек. Жылулық уақыт тұрақтылығы жасушаның дизайны мен материалдарына байланысты. Оқу үшін құрылғыға төмен ток импульсі қолданылады. Кішкентай ток материалдың қыздырылмауын қамтамасыз етеді. Сақталған ақпарат құрылғының кедергісін өлшеу арқылы оқылады.
Шектілік ауысуы
Шекті ауысу GeSbTe жоғары кедергілі күйден шамамен 56 В/м шекті өрісте өткізгіш күйге ауысқанда болады. Бұл ток-кернеу (IV) графигінен көрінеді, онда төмен кернеуде аморфты күйдегі ток өте төмен болады, шекті кернеуге жеткенше. Кернеудің күрт өзгеруінен кейін ток тез өседі. Материал қазір аморфты "ҚОСЫЛҒАН" (ON) күйде, материал әлі де аморфты, бірақ псевдокристаллдық электрлік күйде. Кристаллдық күйде IV сипаттамасы омикалық болады. Шекті ауысудың электрлік немесе жылулық процесс екендігі туралы пікірталас болды. Шекті кернеудегі токтың экспоненциалды өсуі кернеумен экспоненциалды түрде өзгеретін заряд тасымалдаушыларының пайда болуына байланысты болуы мүмкін деген ұсыныстар болды, мысалы, соқтығысу иондануы немесе туннельдеу.
Нано-уақыт масштабындағы фазалық өзгеріс
Соңғы уақытта көптеген зерттеулер GeSbTe-нің жоғары жылдамдықты фазалық өзгерісін түсіндіру үшін фазалық өзгеріс материалдарының құрамын талдауға бағытталған. EXAFS әдісін қолдану арқылы, кристалдық GeSbTe үшін ең сәйкес модель – бұрмаланған тау тұзы торшасы, ал аморфты күй үшін – тетраэдрлік құрылым екені анықталды. Бұрмаланған тау тұзынан тетраэдрлікке конфигурацияның шағын өзгерісі, негізгі ковалентті байланыстар сақталып, әлсіз байланыстар ғана үзілгендіктен, наносекундтық фазалық өзгеріс мүмкін екенін көрсетеді. GeSbTe үшін ең мүмкін болатын кристалдық және аморфты жергілікті құрылымдарды, кристалдық GeSbTe тығыздығы аморфты GeSbTe-ден 10%-дан кем екенін, сондай-ақ аморфты және кристалдық GeSbTe-нің еркін энергиясы шамамен бірдей болуы керектігін ескере отырып, тығыздық функционалдық теориясының моделеуі бойынша ең тұрақты аморфты күй – спинель құрылымы деп болжанды, онда Ge тетраэдрлік, ал Sb және Te октаэдрлік позицияларды иеленеді, себебі бұл конфигурацияның негізгі күй энергиясы ең төменгі мәнді көрсетті. Кар-Паринелло молекулалық динамикасының моделеуі арқылы бұл болжам теориялық тұрғыдан расталды.
Нуклеация-доминирование және өсу-доминирование
Тағы бір ұқсас материал – AgInSbTe. Ол жоғары сызықтық тығыздыққа ие, бірақ жазылу циклдары 1-2 есеге дейін кем. Ол көбінесе қайта жазылатын CD-лерде қолданылатын, тек жолға жаздыру форматтарында пайдаланылады. AgInSbTe өсуге басымдық беретін материал ретінде, ал GeSbTe ядроға басымдық беретін материал ретінде белгілі. GeSbTe-де кристалдану процесінің ядролық қадамы ұзаққа созылады, көптеген кішкентай кристалдық ядролар қысқа өсу процесінен бұрын пайда болады, онда осы көптеген кішкентай кристалдар бірігеді. AgInSbTe-де ядролық қадамда аз ғана ядролар пайда болады және олар ұзақ өсу кезеңінде үлкейіп, ақырында бір кристалды құрайды.