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

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиНГУЕН ХУИ ФУКОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5 ИВЛИЯНИЕ НА НИХ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ01.04.10 – Физика полупроводниковДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д.х.н., проф. Козюхин С.А.Москва - 2014ОГЛАВЛЕНИЕВведение……………………………………………………………………..5Глава 1. Литературный обзор…………………………………………..…111.1.Концепцияфазовойпамятинаосновехалькогенидныхстеклообразных полупроводников………………………………………....111.2. Современные типы устройств фазовой памяти…………………….…131.3.

Халькогенидные сплавы, применяемые в современных устройствахфазовой памяти - оптических дисках различных форматов……………....201.4. Соединение GST225: структура, оптические, электрофизические итермоаналитические характеристики………………………………………211.5. Влияние легирующих примесей на структуру и свойства тонкихпленок материалов фазовой памяти………………………………………...33Выводы по главе 1…………………………………………………………...43Глава 2. Экспериментальная часть……………………………………...442.1. Методы получения образцов для исследования………………………442.2.

Экспериментальные методики, использованные для диагностикитонких пленок: рентгенофазовый и элементный анализы………………..542.3. Методы изучения оптических характеристик тонких пленок……….562.3.1. Спектроскопия комбинационного рассеяния света……………562.3.2.

Оптическое пропускание тонких пленок………………………582.3.3. Спектральная эллипсометрия…………………………………...642.3.4. Методика расчета оптического контраста……………………..67Выводы по главе 2…………………………………………………………...68Глава 3. Оптические и структурные свойства тонких пленокGe2Sb2Te5……………………………………………………………………..693.1.

Диагностика тонкопленочных структур GST225……………………..693.2. Спектроскопия КРС и интерпретация полученных результатов…….733.3. Оптическое пропускание тонких пленок GST225 и результатырасчета оптических свойств…………………………………………………773.4. Оптическое пропускание тонких пленок GST124, GST147 и2результаты расчета их оптических констант………………………………793.5. Оптические константы пленок GST225……………………………….823.5.1. Спектральные зависимости показателя преломления икоэффициента экстинкции, расчет оптического контраста…………..823.5.2. Исследование морфологии тонких пленок методом атомногосилового микроскопа ……………………………………………………853.6. Обсуждение полученных результатов…………………………………88Выводы по главе 3…………………………………………………………...94Глава 4. Влияние висмута на оптические свойства тонких пленокGST225…………………………………………………………......................954.1.

Определение элементного и фазового состава пленок, легированныхвисмутом………………………………………………………………………954.2. Влияние висмута на структурные свойства тонких пленок GST225по данным спектров КРС……………………………………………………974.3. Влияние висмута на оптические свойства тонких пленок GST225 поданным спектров оптического пропускания………………………………. 1004.4. Влияние висмута на оптические константы тонких пленок GST225по данным спектральной эллипсометрии………………………………….1024. 5. Обсуждение полученных результатов…………………………...……106Выводы по главе 4…………………………………………………………...112Глава 5. Влияние олова и индия на оптические свойства тонкихпленок GST225……………………………………………………………… 1135.1. Определение элементного и фазового состава аморфных пленокGST225, легированных оловом и индием………………………………….1135.2. Влияние олова и индия на структурные свойства тонких пленокGST225 по данным спектров КРС…………………………………………..

1165.2.1. Cпектры КРС тонких пленок, легированных Sn………………... 1165.2.2. Cпектры КРС тонких пленок, легированных In………...………1195.3. Влияние олова и индия на оптические свойства тонких пленокGST225 по данным спектров оптического пропускания………………….12235.3.1.Спектрыоптическогопропусканиятонкихпленок,легированных Sn…………………………………………………………5.3.2.Спектрыоптическогопропусканиятонких122пленок,легированных In…………………………………………………………1245.4.

Влияние олова и индия на оптические константы тонких пленокGST225 по данным спектральной эллипсометрии………………………..5.4.1. Спектральные зависимости показателя127преломления икоэффициента экстинкции тонких пленок, легированных Sn………..1275.4.2. Спектральные зависимости показателя преломления икоэффициента экстинкции тонких пленок, легированных In………...1305.

5. Обсуждение полученных результатов……………………………...…133Выводы по главе 5…………………………………………………………...143Основные выводы………………………………………………………….144Список литературы………………………………………………………..148Приложение4ВведениеАктуальность темыСреди уникальных физико-химических свойств, которыми обладаютхалькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП), особое вниманиеисследователей в последнее время привлекают сверхбыстрые фазовыепереходывэтихматериалах,происходящиепривоздействиинизкоэнергетических воздействий: света или электрического импульса.Поскольку аморфная и кристаллическая фазы структурно различаются, то,соответственно, это приводит к значительным различиям в оптических иэлектрических свойствах, что практически используется в устройстваххранения информации.

Коммерчески успешные примеры внедрения данногоявления в практику – это устройства энергонезависимой фазовой памяти (ФПилиРСМвангл.аббревиатуреотPhaseChangeMemory)типаперезаписываемых оптических дисков различных форматов: CD-RW, DVDRAM, DVD±R/RW, Blu-Ray, и ячеек памяти произвольного доступа типа PCRAM (Phase Change Random Access Memory) [1, 2].Широко применяемыми материалами ФП являются соединения наоснове системы Ge-Sb-Te (аббревиатура GST), что обусловлено, преждевсего, стабильностью их фазового состояния при комнатной температуре исверхмалым временем переключения в наноразмерных структурах (2-150 нс)[1,3].

Халькогенидное соединение Ge2Sb2Te5 (GST225), лежащее на линииквазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3, является одним из наиболее изученныхсоединений в системе Ge-Sb-Te. Тем не менее, вопрос оптимизации всегокомплекса функциональных свойств данного материала применительно кустройствам ФП является в настоящее время актуальным. Одним изметодологических подходов при целенаправленном изменении свойствполупроводниковых материалов является их легирование примеснымиэлементами.

И хотя у большинства ХСП наблюдается нечувствительность клегирующим добавкам из-за большой плотности собственных дефектов,закрепляющих уровень Ферми вблизи середины щели подвижности [4],5однако для материалов ФП данный подход может оказаться перспективным,что обусловлено как способом получения аморфных наноразмерныхструктур, так и их структурными особенностями, например, большойконцентрацией структурных дефектов типа вакансий.

Введение легирующихпримесей в материалы GST225 является сложной научной задачей,требующей как поиска соответствующих легирующих элементов, так испособов их введения в матрицу. И если работы по влиянию примесей накристаллизационные процессы ведутся, то литературные данные обизмененииоптическихсвойствGST225привведениипримесейнемногочисленны, а иногда и носят противоречивый характер.Всвязисэкспериментальноеэтим,цельюисследованиедиссертационнойвлиянияработылегирующихявляетсяпримесейнаоптические характеристики и выявление эффективных методов управлениясвойствами тонких пленок GST225.Для достижения поставленных целей необходимо было решитьследующие задачи:1.выполнить анализ физико-химических свойств легирующихэлементов с точки зрения их перспективности для соединения GST225;2.синтезироватьтонкопленочныеструктурысразличнымсодержанием легирующих примесей и различного фазового состава ивыполнить диагностические исследования тонких пленок;3.методомпровести экспериментальные исследования полученных структуроптическогопропускания,спектральнойэллипсометрииикомбинационного рассеяния света (КРС);4.разработать модель экспериментальной структуры на основетонких пленок GST225 и выполнить численные расчеты оптических константна основе сопоставления экспериментальных результатов и литературныхданных;65.выявить корреляции «состав – структура - свойство» дляисследованных составов.Основными объектами исследований были тонкие пленки составаGST225 и GST225 легированные висмутом, оловом и индием с различным ихсодержанием(0.5,1и3масс.%),наподложкахдвухтипов:тонкихпленокмонокристаллический Si и оптическое стекло К8.Основныеметодыисследования: диагностикавыполнялась с применением рентгенофазового анализа (РФА), элементногоанализаметодамиобратногорезерфордовскогорассеяния(ОРР)ирентгеновского микроанализа; для изучения оптических характеристиктонких пленок применялось оптическое пропускание тонких пленок испектральная эллипсометрия; спектроскопия комбинационного рассеяниясвета использовалась для анализа структурных изменений в тонких пленках.Научная новизна работы состоит в следующем:1.разработана модель экспериментальной структуры на основетонких пленок GST225 легированных висмутом, оловом и индием, адекватноописывающая спектральные зависимости оптических констант;2.впервые определен оптический контраст для тонких пленоксостава GST225, легированных Bi, Sn, In.

Установлено, что введение висмутаи олова позволяет увеличить оптический контраст тонких пленок (до 20 30% при λ = 400 нм и до 15 - 45% при λ = 650 нм); в случае легированияиндием оптический контраст увеличивается до 20% только в случаелегирования 0.5 масс.% In и только для длины волны λ = 650 нм иуменьшается для концентрацией In 1 и 3 масс.%;3.впервые показано, что введение малых добавок Bi, Sn и Inприводит к изменению структуры ближнего порядка аморфных тонкихпленок GST225.7Практическаяценность:научныерезультатыпоизменениюоптического контраста могут быть использованы при разработке составовактивной области для оптических дисков хранения информации на основематериалов Ge-Sb-Te.На защиту выносятся следующие положения и результаты:1.Двухслойная модель тонких пленок (первый слой – пленка GST;второй слой – смесь 95% GST и 5% воздуха), описывающая спектральныезависимости оптических констант; методы расчета оптических констант длятонких пленок GST225.2.Влияние легирующих примесей (Bi, Sn, In) на оптическиесвойства аморфных тонких пленок GST225, заключающееся в том, чтовведение висмута и олова позволяет увеличить оптический контраст тонкихпленок; в случае легирования индием оптический контраст уменьшается.3.Влияние фазового состава на оптические свойства тонких пленокGST225, легированных Bi, Sn, In, заключающееся в том, что наблюденоувеличение оптических констант и уменьшение оптической ширинызапрещенной зоны при переходе из аморфной в кристаллическую фазы.4.Влияние легирующих примесей и фазового состава на структурутонких пленок по данным комбинационного рассеяния света, заключающеесяв том, что введение висмута, олова и индия происходит по механизмупримесного замещения основных компонентов в матрице GST225.Достоверностьрезультатовисследованийобеспечиваетсяпроведением экспериментальных измерений на современном научномоборудовании, обеспечивающим высокую точность и воспроизводимостью;сходимостью экспериментальных и теоретических результатов, полученныхс применением различных независимых методов.8Апробация работы:Основные результаты диссертационной работы докладывались иобсуждались на российских и международных конференциях и семинарах: IIи III Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых учѐныхпо направлению «Наноматериалы», Рязань, 2009 и 2010; Аморфные имикрокристаллические полупроводники.

VII, VIII и IX международнаяконференция, Санкт-Петербург, 2010, 2012 и 2014; Fourth InternationalConference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications(ICOOPMA10). Budapest, Hungary, 2010; IV, V и VI Всероссийская школасеминар студентов, аспирантов и молодых учѐных по направлению«Диагностика наноматериалов и наностуктур», Рязань, 2011, 2012 и 2013;XIX и XX Международная научная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых «ЛОМОНОСОВ», Москва, 2012 и 2013; 10th InternationalConference on Solid State Chemistry, Pardubice, Czech Republic, 2012; 18thInternational Symposium on Non-Oxide and New Optical Glasses ISNOG, SaintMalo, France, 2012; The 25th International Conference on Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors. Toronto, Ontario Canada, 2013; 5th, 6th InternationalConference Amorphous and Nanostructured Chalcogenides. Fundamentals andApplications.