05 (Электронные лекции в формате DOC), страница 2

толщины пленки ХСП (рисунок). Это

может быть только в случае, если

бо'льшая часть приложенного к прибору

напряжения падает на контактах, а не в

объеме материала.

Если построить зависимости от

толщины пленки ХСП порогового (U_th) и

удерживающего (U_h) напряжений, то

можно видеть, что существует некоторая

критическая толщина (примерно 0,2 мкм),

при которой эти напряжения становятся

равными друг другу. Следовательно, при этой и меньших толщинах в данном типе приборов переключение становится невозможным.

К сказанному следует добавить, что пороговое напряжение уменьшается с увеличением температуры, при приложении давления и не зависит от освещения образца. При освещении увеличивается только пороговый ток (I_th) при постоянном U_th.

Важными характеристиками переключателей являются их временные характеристики: время включения, время выключения.

В

t _s.b

t_s

t_d

ремя включения порогового переключателя

состоит из двух составляющих:

• времени задержки включения (t_d);

• собственно времени включения (t_s).

Время задержки – это время, которое проходит

с момента подачи на прибор напряжения равного

или большего порогового напряжения (U  U_th) и

до начала резкого возрастания тока через прибор.

Время задержки сильно зависит от величины

приложенного напряжения, изменяясь от величины 10^-6 – 10^-7 сек при U = U_th до, примерно, 10^-9 сек при увеличении напряжения.

Собственно время включения (t_s), или время перехода ХСП из высокоомного в низкоомное состояние достаточно мало: не превышает 10^-9 – 10^-10 сек (t_s  10^-9 – 10^-10 с).

Характеристикой времени выключения прибора является время восстановления высокоомного состояния (t_s.b.). Время восстановления определяется как минимальное время, прошедшее после окончания импульса, переключавшего прибор в низкоомное состояние, по истечению которого импульс напряжения с амплитудой на 10 % меньше порогового напряжения не переводит прибор в проводящее состояние. Время восстановления, как правило, составляет ≈ 10^-6 сек и возрастает с увеличением толщины пленки ХСП.

Переключатели с памятью на основе ХСП

Э ффект переключения с памятью в ХСП был открыт практически одновременно с эффектом порогового переключения. Конструкция переключателя с памятью полностью аналогична конструкции порогового переключателя:

Первоначально вольтамперная характеристика

переключателя с памятью повторяет ВАХ порогового

п

исходное сопротивление прибора велико. При достижении порогового напряжения, после времени задержки происходит быстрое переключение прибора в низкоомное состояние. Если в этот момент уменьшить ток через

ереключателя:

прибор ниже величины тока удержания (I_h), то прибор перейдет в высокоомное состояние, точно так же как пороговый переключатель (ВАХ порогового переключателя).

Однако, если низкоомное состояние поддерживать в течение, примерно, 10^-3 сек, то прибор остается в низкоомном состоянии даже после снятия напряжения (см. ВАХ). В этом случае перевод в высокоомное состояние производится подачей на прибор «стирающего» импульса тока любой полярности, но специальной формы.

В

Временные характеристики переключателей с памятью, по сравнению с пороговыми переключателями, имеют один дополнительный параметр: время запоминания низкоомного состояния (t_mem). Это время нахождения прибора в низкоомном состоянии, необходимое для запоминания того состояния.

ремя запоминания составляет, порядка, 10^-3 сек. На зависимости тока от времени момент запоминания сопровождается небольшим увеличением тока (см. рисунок). Таким образом, данный тип приборов дает возможность хранения информации без затраты энергии.

Два различных типа поведения приборов одинаковой конструкции обусловлены различным химическим составом пленок ХСП, входящих в прибор.

Механизм порогового переключения в ХСП

Природа эффекта порогового переключения в ХСП до настоящего времени окончательно не установлена. Существующие гипотезы о механизме порогового переключения можно разделить на три группы:

• тепловые гипотезы, основанные на рассмотрении тепловых процессов в материале;

• электронные гипотезы;

• смешанные электронно-тепловые гипотезы.

Исторически первыми были развиты тепловые гипотезы. Это и понятно, поскольку теория теплового пробоя высокоомных материалов в то время была достаточно хорошо развита:

протекание через образец электрического тока вызывает разогрев материала; повышение температуры ведет к возрастанию электропроводности, что в свою очередь вызывает увеличение тока и, следовательно, к увеличению разогрева образца. При недостаточном теплоотводе процесс лавинообразно нарастает, что приводит к потере электрической прочности образца.

Надо сказать, что в первом приближении рассмотренный механизм согласуется с основными закономерностями, наблюдаемыми при пороговом переключении в ХСП:

• в обоих случаях образуется канал (шнур) с высокой плотностью тока;

• на качественном уровне объясняется наличие времени задержки переключения (время, необходимое для предварительного разогрева образца), а также зависимость времени задержки от величины приложенного напряжения (больше напряжение – больше ток – более быстрый разогрев), наличие времени восстановления высокоомного состояния (остывание образца).

Однако, количественное рассмотрение указанных зависимостей показало, что тепловая гипотеза объясняет далеко не все экспериментальные факты.

--------------------------------------------

Новую память разные фирмы называют по разному:

• OUM – Ovonic Unified Memory (унифицированная память Ovonic);

• PRAM - Phase change Random Access Memory (память со свободной выборкой на основе фазовых переходов);

• C–RAM – Chalcogenide RAM (память со свободной выборкой на основе халькогенов) и другие названия.

На сегодняшний день созданы интегральные схемы памяти емкостью 64 Мбит со следующими характеристиками:

• Размер ячейки 0,32 – 0,50 мкм² (фотолитография 0,18 мкм). Это соответствует 64 Мбитам памяти на 100 мм² (или на 1 см²).

• Время записи в ячейке 50 – 100 нс.

• Время хранения информации 10 лет при 110 – 130 °С.

• Количество циклов перезаписи 10¹³.

• Электрические параметры: напряжение – до 3,3 В, токи – до 1 мА. Это хорошо согласуется с кремниевыми микросхемами.

• Различие сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях – примерно в 100 раз.

Кроме того, отсутствие высокотемпературных операций при создании ячеек памяти позволяет изготавливать матрицу ячеек непосредственно на кремниевой интегральной схеме. При этом дополнительно требуется лишь 3 – 4 фотолитографии.

Теперь о предполагаемых рынках сбыта. Первоочередная задача фирм-разработчиков – замена flash-RAM (объем рынка примерно 5 млрд $). Преимущества новой памяти: существенное повышение срока службы, высокая скорость программирования, низкая цена.

Следующая задача – устройства динамической памяти (DRAM). объем рынка 30 млрд $). Далее идут: статическая память (SRAM), программируемая логика, военные применения (высокая радиационная стойкость).

Что же принципиально нового произошло с переключателями за ти годы?

Я чейка матрицы принципиально не изменилась. Только вместо диода поставлен транзистор.

Общая структура переключателя также не изменилась: сэндвич:

проводящий электрод – халькогенидный сплав – проводящий электрод

(раздаточный материал, рис. 2 – 11).

Т аким образом, мы имеем следующую структуру:

100 нм Ge₂Sb₂Te₅

Обратите внимание: материал системы Ge – Sb – Te на рисунке назван не ХСП (стекло), а материалом с изменяющимся фазовым составом (phase change alloy).

300 нм TiAlN

50 нм

В этом и кроется одно из основных отличий: в исходном состоянии халькогенидный сплав находится в кристаллическом состоянии, а следовательно, сам переключатель находится в низкоомном состоянии.

Следующее отличие – в размерах. Как Вы видите, размеры перешли в область нанометров. Это принципиально не только с точки зрения увеличения плотности записи информации, но, как мы сейчас увидим, и с точки зрения физики работы прибора (переход от микроэлектроники к наноэлектронике).

И наконец, ещё одно отличие: нижний электрод изготовлен не из металла, а из нитридов металла, а следовательно обладает повышенным электрическим сопротивлением.

Как же работает такой переключатель? Исходно прибор находится в

низкоомном состоянии с соответствующим видом ВАХ (рис).

При подаче стирающего импульса тока (достаточно большого по величине и с крутым задним фронтом) происходит разогрев сплава. Причем наибольший разогрев будет происходить в области, прилегающей к нижнему контакту, по двум причинам:

1. Наибольшая плотность тока.

2. Дополнительный разогрев от резистивного электрода.

В результате материал в этой области расплавляется и при резком окончании импульса переходит в стеклообразное состояние (размеры; фазовый переход не в шнуре, а в объёме). Переход в высокоомное состояние.

При обратном переключении подается более длительный, но меньший по абсолютной величине импульс тока. В результате вся стеклообразная область кристаллизуется, и прибор переходит в низкоомное состояние.