Автореферат (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей)

На правах рукописиНгуен Хуи ФукОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5И ВЛИЯНИЕ НА НИХ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ01.04.10 – Физика полупроводниковАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена в в ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственныйуниверситет»Научный руководитель:Козюхин Сергей Александрович,доктор химических наукОфициальные оппоненты:Цэндин Константин Дамдинович, докторфизико-математических наук, профессор,Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАНВишняков Николай Владимирович,кандидат технических наук, доцент,Рязанский государственныйрадиотехнический университетВедущая организация:Московский государственныйуниверситет имени М.В.

Ломоносова,физический факультетЗащита состоится «18» ноября 2014 г. в 15 ч. 30 мин. в ауд. К-102А на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.06 при ФГБОУ ВПО «НУИ «МЭИ» по адресу11250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НУИ«МЭИ» [URL: http:\\www.mpei.ru]Автореферат разослан «»2014г.Председатель диссертационного совета Д 212.157.06доктор технических наук,профессорМирошникова Ирина Николаевна2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыСредиуникальныххалькогенидныефизико-химическихстеклообразныесвойств,полупроводникикоторыми(ХСП),особоеобладаютвниманиеисследователей в последнее время привлекают сверхбыстрые фазовые переходы вэтих материалах, происходящие при воздействии низкоэнергетических воздействий:света или электрического импульса.

Поскольку аморфная и кристаллическая фазыструктурно различаются, то это, соответственно, приводит к значительным различиямв оптических и электрических свойствах, что практически используется в устройстваххранения информации. Коммерчески успешные примеры внедрения данного явленияв практику – это устройства энергонезависимой фазовой памяти (ФП или РСМ в англ.аббревиатуре от Phase Change Memory) типа перезаписываемых оптических дисковразличных форматов: CD-RW, DVD-RAM, DVD±R/RW, Blu-Ray, и ячеек памятипроизвольного доступа типа PC-RAM (Phase Change Random Access Memory) [1, 2].Широко применяемыми материалами ФП являются соединения на основесистемыGe-Sb-Te(аббревиатураGST),чтообусловлено,преждевсего,стабильностью их фазового состояния при комнатной температуре и сверхмалымвременемпереключениявнаноразмерныхструктурах(2-150нс)[1,3].Халькогенидное соединение Ge2Sb2Te5 (GST225), лежащее на линии квазибинарногоразреза GeTe-Sb2Te3, является одним из наиболее изученных соединений в системеGe-Sb-Te.

Тем не менее, вопрос оптимизации всего комплекса функциональныхсвойств данного материала применительно к устройствам ФП является в настоящеевремя актуальным. Одним из методологических подходов при целенаправленномизменении свойств полупроводниковых материалов является их легированиепримеснымиэлементами.ИхотяубольшинстваХСПнаблюдаетсянечувствительность к легирующим добавкам из-за большой плотности собственныхдефектов, закрепляющих уровень Ферми вблизи середины щели подвижности [4],однако для материалов ФП данный подход может оказаться перспективным, чтообусловлено как способом получения аморфных наноразмерных структур, так и ихструктурными особенностями, например, большой концентрацией структурныхдефектов типа вакансий.

Введение легирующих примесей в материалы GST225является сложной научной задачей, требующей как поиска соответствующихлегирующих элементов, так и способов их введения в матрицу. И если работы повлиянию примесей на кристаллизационные процессы ведутся, то литературныеданные об изменении оптических свойств GST225 при введении примесейнемногочисленны, а иногда и носят противоречивый характер.3В связи с этим, целью диссертационной работы является экспериментальноеисследование влияния легирующих примесей на оптические характеристики ивыявление эффективных методов управления свойствами тонких пленок GST225. Длядостижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:1.выполнить анализ физико-химических свойств легирующих элементов сточки зрения их перспективности для соединения GST225;2.синтезировать тонкопленочные структуры с различным содержаниемлегирующих примесей и различного фазового состава и выполнить диагностическиеисследования тонких пленок;3.провести экспериментальные исследования полученных структурметодамиоптическогопропускания,спектральнойэллипсометрииикомбинационного рассеяния света (КРС);4.разработать модель экспериментальной структуры на основе тонкихпленок GST, выполнить численные расчеты оптических констант и провестисопоставление экспериментальных результатов с литературными данными;5.выявить корреляции «состав – структура - свойство» для исследованныхсоставов.Основными объектами исследований были тонкие пленки состава GST225 иGST225 легированные висмутом, оловом и индием с различным их содержанием (0.5,1 и 3 масс.%), на подложках двух типов: монокристаллический Si и оптическое стеклоК8.Основные методы исследования: диагностика тонких пленок выполнялась сприменением рентгенофазового анализа (РФА), элементного анализа методамиобратного резерфордовского рассеяния (ОРР) и рентгеновского микроанализа; дляизучения оптических характеристик тонких пленок применялось оптическоепропускание тонких пленок и спектральная эллипсометрия; спектроскопиякомбинационного рассеяния света использовалась для анализа структурныхизменений в тонких пленках.Научная новизна работы состоит в следующем:1.разработана модель экспериментальной структуры на основе тонкихпленок GST225 легированных висмутом, оловом и индием, адекватно описывающаяспектральные зависимости оптических констант;2.впервые определен оптический контраст для тонких пленок составаGST225, легированных Bi, Sn, In.

Установлено, что введение висмута и оловапозволяет увеличить оптический контраст тонких пленок (до 20 - 30% при λ = 400 нми до 15 - 45% при λ = 650 нм); в случае легирования индием оптический контрастувеличивается до 20% только в случае легирования 0.5 масс.% In и только для длиныволны λ = 650 нм и уменьшается для концентрацией In 1 и 3 масс.%;43.впервые показано, что введение легирующих примесей Bi, Sn и Inприводит к изменению структуры ближнего порядка аморфных тонких пленокGST225.Практическая ценность: научные результаты по изменению оптическогоконтраста могут быть использованы при разработке составов активной области дляоптических дисков хранения информации на основе материалов Ge-Sb-Te.На защиту выносятся следующие положения и результаты:1.Двухслойная модель тонких пленок (первый слой – пленка GST; второйслой – смесь 95% GST и 5% воздуха), описывающая спектральные зависимостиоптических констант; методы расчета оптических констант для тонких пленокGST225.2.Влияние легирующих примесей (Bi, Sn, In) на оптические свойствааморфных тонких пленок GST225, заключающееся в том, что введение висмута иолова позволяет увеличить оптический контраст тонких пленок; в случае легированияиндием оптический контраст уменьшается.3.Влияние фазового состава на оптические свойства тонких пленокGST225, легированных Bi, Sn, In, заключающееся в том, что выявлено увеличениеоптических констант и уменьшение оптической ширины запрещенной зоны припереходе из аморфной в кристаллическую фазу.4.Влияние легирующих примесей и фазового состава на структуру тонкихпленок по данным комбинационного рассеяния света, заключающееся в том, чтовведение висмута, олова и индия происходит по механизму примесного замещенияосновных компонентов в матрице GST225.Достоверность результатов исследований обеспечивается проведениемэкспериментальныхизмерений насовременном научномоборудовании,обеспечивающим высокую точность и воспроизводимостью; сходимостьюэкспериментальных и теоретических результатов, полученных с применениемнезависимых методов.Апробация работы:Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждалисьна российских и международных конференциях и семинарах: II и III Всероссийскаяшкола-семинар студентов, аспирантов и молодых учѐных по направлению«Наноматериалы», Рязань, 2009 и 2010; Аморфные и микрокристаллическиеполупроводники.

VII, VIII и IX международная конференция, Санкт-Петербург, 2010,2012 и 2014; Fourth International Conference on Optical, Optoelectronic and PhotonicMaterials and Applications (ICOOPMA10), Budapest, Hungary, 2010; IV, V и VIВсероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых учѐных понаправлению «Диагностика наноматериалов и наностуктур», Рязань, 2011, 2012 и2013; XIX и XX Международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «ЛОМОНОСОВ», Москва, 2012 и 2013; 10th International Conference5on Solid State Chemistry, Pardubice, Czech Republic, 2012; 18th International Symposiumon Non-Oxide and New Optical Glasses ISNOG, Saint-Malo, France, 2012; The 25thInternational Conference on Amorphous and Nano-crystalline Semiconductors, Toronto,Ontario Canada, 2013; 5th, 6th International Conference Amorphous and NanostructuredChalcogenides.

Fundamentals and Applications, Bucharest, Brasov, Romania, 2011, 2013;23rd International Congress on Glass, Prague, Czech Republic, 2013.Публикации:Основные научные результаты диссертации опубликованы в 22 научныхработах, включая 8 статей в журналах из списка ВАК и 14 тезисов докладов нароссийских и международных конференциях.Личный вклад автора:Автор диссертации принимал участие в постановке экспериментов и ихпроведении, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, созданиитеоретических моделей, написании научных статей в составе авторского коллектива иподготовке их к опубликованию, представлял доклады по теме диссертации наконференциях.

Результаты, выносимые на защиту и составляющие научную новизнудиссертационной работы, получены автором лично в лаборатории магнитныхматериалов Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и накафедре физики твердого тела Московского педагогического государственногоуниверситета.Структура диссертации:Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводовпо работе, содержит 163 страницы машинописного текста, включая 18 таблиц, 105рисунков, 18 формул и список литературы из 137 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированацель и основные задачи работы, показана научная новизна, научная и практическаязначимость полученных результатов.