Введение
ГеSbTe (германий-антимоний-теллурий) – материал с переходом фаз, относящийся к группе халькогенидных стекол и используемый в перезаписываемых оптических дисках и приложениях памяти с переходом фаз. Время его рекристаллизации составляет 20 наносекунд, что обеспечивает скорость записи до 35 Мбит/с и возможность прямой перезаписи до 106 циклов. Материал подходит для форматов записи с канавками (land groove). Он часто применяется в перезаписываемых DVD. Создание новых типов памяти с переходом фаз возможно при использовании n-легированного полупроводника GeSbTe. Температура плавления сплава составляет около 600 °C (900 K), а температура кристаллизации – от 100 до 150 °C. В процессе записи материал стирается и переводится в кристаллическое состояние посредством лазерного излучения низкой интенсивности. Материал нагревается до температуры кристаллизации, но не до температуры плавления, и кристаллизуется. Информация записывается в кристаллической фазе путем локального нагрева с помощью коротких (<10 нс) лазерных импульсов высокой интенсивности; материал плавится в этих точках и быстро охлаждается, оставаясь в аморфной фазе. Поскольку аморфная фаза обладает более низкой отражающей способностью, чем кристаллическая, данные записываются в виде темных областей на кристаллическом фоне. В последнее время были разработаны новые жидкие органогерманиевые прекурсоры, такие как изобутилгерман (IBGe) и тетракис(диметиламино)герман (TDMAGe), которые используются совместно с металлоорганическими соединениями антимона и теллура, такими как трис(диметиламино)антимон (TDMASb) и диизопропилтеллурид (DIPTe), для выращивания пленок GeSbTe и других халькогенидов с очень высокой степенью чистоты методом химического осаждения из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (MOCVD). Диметиламиногерманиевый трихлорид (DMAGeC) также упоминается как содержащий хлорид и превосходящий диметиламиногерманиевый прекурсор для осаждения германия методом MOCVD.
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.
Свойства материала
GeSbTe — это тройное соединение германия, сурьмы и теллура, с составом GeTe Sb2Te3. В системе GeSbTe существует псевдолиния, как показано, вдоль которой располагается большинство сплавов. Двигаясь вдоль этой псевдолинии, можно заметить, что при переходе от Sb2Te3 к GeTe температура плавления и температура стеклования материалов увеличиваются, скорость кристаллизации уменьшается, а время хранения данных увеличивается. Следовательно, для достижения высокой скорости передачи данных необходимо использовать материал с быстрой скоростью кристаллизации, такой как Sb2Te3. Этот материал не стабилен 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 может существовать в двух конфигурациях: гексагональной и метастабильной гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке. Однако при быстрой кристаллизации было обнаружено, что он имеет искаженную структуру типа каменной соли. GeSbTe имеет температуру стеклования около 100 °C. GeSbTe также содержит большое количество вакансионных дефектов в решетке – от 20 до 25% в зависимости от конкретного соединения GeSbTe. Таким образом, Te обладает дополнительной неподеленной парой электронов, которые важны для многих характеристик GeSbTe. Кристаллические дефекты также часто встречаются в GeSbTe, и из-за этих дефектов в структуре зон образуется хвост Урбаха. GeSbTe обычно является p-типа, и в запрещенной зоне существует множество электронных состояний, которые можно рассматривать как ловушки для акцепторов и доноров. GeSbTe имеет два стабильных состояния: кристаллическое и аморфное. Механизм фазового перехода от аморфной фазы с высоким сопротивлением к кристаллической фазе с низким сопротивлением в наносекундном масштабе и пороговое переключение являются двумя наиболее важными характеристиками GeSbTe.
Применение фазовых сменных памяти
Уникальной характеристикой, делающей фазовую память полезной в качестве памяти, является способность к обратимому фазовому переходу при нагревании или охлаждении, с переключением между стабильными аморфными и кристаллическими состояниями. Эти сплавы имеют высокое сопротивление в аморфном состоянии ('0') и являются полуметаллами в кристаллическом состоянии ('1'). В аморфном состоянии атомы обладают ближним порядком и низкой плотностью свободных электронов. Сплав также характеризуется высоким сопротивлением и энергией активации, что отличает его от кристаллического состояния с низким сопротивлением и энергией активации, дальним порядком и высокой плотностью свободных электронов. При использовании в фазовой памяти, применение короткого электрического импульса высокой амплитуды, приводящего к достижению материалом точки плавления и последующему быстрому охлаждению, для перехода из кристаллической фазы в аморфную, широко называют током СБРОСА (RESET), а использование относительно длительного импульса низкой амплитуды, при котором материал достигает лишь точки кристаллизации и получает время для кристаллизации, обеспечивая переход из аморфной в кристаллическую фазу, известно как ток УСТАНОВКИ (SET). Ранние устройства были медленными, энергозатратными и подвержены поломкам из-за больших токов, поэтому не смогли конкурировать с SRAM и флэш-памятью. Однако в 1980-х годах открытие германий-сурьма-теллура (GeSbTe) позволило снизить время и энергопотребление фазовой памяти. Это привело к успеху перезаписываемых оптических дисков и возродило интерес к фазовой памяти. Прогресс в литографии также позволил значительно уменьшить ранее избыточный ток программирования, поскольку уменьшился объем GeSbTe, подвергающегося фазовому переходу. Фазовая память обладает многими почти идеальными характеристиками памяти, такими как нелетучесть, высокая скорость переключения, высокая стойкость к перезаписи – более 10¹³ циклов, неразрушающее чтение, прямое перезаписывание и длительное время хранения данных – более 10 лет. Уникальным преимуществом, отличающим ее от других перспективных нелетучих типов памяти, таких как магниторезистивная память (MRAM), является преимущество масштабирования, обеспечивающее более высокую производительность при уменьшении размеров. Предел масштабирования фазовой памяти, по крайней мере до 45 нм, определяется литографией, что открывает наибольший потенциал для создания сверхплотных ячеек памяти, пригодных для коммерциализации. Несмотря на многообещающие перспективы, для достижения сверхвысокой плотности и коммерциализации фазовой памяти необходимо решить ряд технических проблем. Наиболее важной задачей является снижение тока программирования до уровня, совместимого с минимальным током управления МОП-транзистора для интеграции высокой плотности. В настоящее время ток программирования в фазовой памяти значительно превышает этот уровень, что ограничивает плотность памяти из-за недостаточной силы тока, обеспечиваемой транзистором. Таким образом, уникальное преимущество масштабирования фазовой памяти не может быть полностью реализовано. На рисунке показана типичная конструкция устройства фазовой памяти, включающая слои: верхний электрод, GST (GeSbTe), слой GeSbTe, BEC, нижний электрод и диэлектрические слои. Программируемый объем – это объем GeSbTe, контактирующий с нижним электродом, который можно уменьшить с помощью литографии. Важна также тепловая постоянная времени устройства, которая должна быть достаточно короткой для быстрого охлаждения GeSbTe в аморфное состояние при СБРОСЕ, но достаточно длинной для обеспечения кристаллизации при УСТАНОВКЕ. Тепловая постоянная времени зависит от конструкции и материала, из которого изготовлена ячейка. Для чтения к устройству подается импульс низкого тока, обеспечивающий отсутствие нагрева материала. Информация считывается путем измерения сопротивления устройства.
Переключение порога
Предельное переключение происходит, когда GeSbTe переходит из состояния высокого сопротивления в проводящее состояние при пороговом поле около 56 В/мкм. Это видно из вольт-амперной характеристики (ВАХ), где ток очень низок в аморфном состоянии при низком напряжении до достижения порогового напряжения. Ток резко возрастает после скачка напряжения. Материал теперь находится в аморфном состоянии "ВКЛЮЧЕНО", где материал остается аморфным, но переходит в псевдокристаллическое электрическое состояние. В кристаллическом состоянии ВАХ имеет охмический характер. Велись споры о том, является ли предельное переключение электрическим или термическим процессом. Предлагалось, что экспоненциальный рост тока при пороговом напряжении должен быть обусловлен генерацией носителей заряда, экспоненциально зависящей от напряжения, например, ионизацией от удара или туннельным эффектом.
Изменение фазы в нано-временном масштабе
В последнее время многие исследования были посвящены материаловедческому анализу материала с фазовым переходом в попытке объяснить высокоскоростной фазовый переход GeSbTe. С помощью EXAFS было установлено, что наиболее подходящей моделью для кристаллического GeSbTe является искаженная структура типа каменной соли, а для аморфного – тетраэдрическая структура. Незначительное изменение конфигурации от искаженной структуры типа каменной соли к тетраэдрической указывает на возможность фазового перехода в наносекундном масштабе, поскольку основные ковалентные связи остаются неповрежденными, а разрываются лишь более слабые связи. На основе наиболее вероятных локальных структур кристаллического и аморфного GeSbTe, учитывая, что плотность кристаллического GeSbTe лишь на 10% больше плотности аморфного GeSbTe, и тот факт, что свободные энергии как аморфного, так и кристаллического GeSbTe должны быть сопоставимы по величине, в результате расчетов методом теории функционала плотности было предположено, что наиболее стабильным аморфным состоянием является шпинельная структура, в которой Ge занимает тетраэдрические позиции, а Sb и Te – октаэдрические, поскольку энергия основного состояния была минимальной среди всех возможных конфигураций. Данное предположение было теоретически подтверждено с помощью моделирования молекулярной динамики Кар-Паринелло.
Доминирование ядра против доминирования роста
Другой аналогичный материал – AgInSbTe. Он обеспечивает более высокую линейную плотность, но имеет на 1-2 порядка величины меньшее число циклов перезаписи. Он используется в форматах записи только по канавке, часто в перезаписываемых CD. AgInSbTe известен как материал, в котором преобладает рост, а GeSbTe – как материал, в котором преобладает нуклеация. В GeSbTe процесс нуклеации кристаллизации протекает долго, с образованием множества мелких кристаллических зародышей перед коротким процессом роста, в ходе которого эти многочисленные мелкие кристаллы объединяются. В AgInSbTe на стадии нуклеации образуется лишь несколько зародышей, которые затем увеличиваются в размерах на более длительной стадии роста, в конечном итоге формируя один кристалл.