Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 2

Bucharest, Brasov, Romania, 2011, 2013; 23rd InternationalCongress on Glass, Prague, Czech Republic, 2013.Публикации:Основные научные результаты диссертации опубликованы в 22научных работах, включая 8 статей в журналах из списка ВАК и 14 тезисовдокладов на российских и международных конференциях.Личный вклад автора:Автор диссертации принимал участие в постановке экспериментов и ихпроведении, обработке и интерпретации экспериментальных результатов,создании теоретических моделей, написании научных статей в составе9авторского коллектива и подготовке их к опубликованию, представлялдоклады по теме диссертации на конференциях. Результаты, выносимые назащиту и составляющие научную новизну диссертационной работы,получены автором лично в лаборатории магнитных материалов Институтаобщей и неорганической химии им.

Н.С. Курнакова РАН и на кафедрефизики твердого тела Московского педагогического государственногоуниверситета.Структура диссертации:Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов ивыводов по работе, содержит 163 страницы машинописного текста, включая19 таблиц, 105 рисунков, 18 формул и список литературы из 137наименований.10Глава 1. Литературный обзорДанная глава рассмотрена концепция фазовой памяти на основе ХСП, вкоторой лежит эффект переключения под действием электрическогоимпульса. Рассмотрена структурная модель типа «umbrealla flip» дляобъяснения сильного изменения оптических констант GST при лазерномоблучении.Рассмотреныхалькогенидныесплавы,применяемыевустройствах фазовой памяти, в частности перезаписываемых оптическихдисках различных форматов.

Основное внимание уделено обзору работ,посвященных соединению Ge2Sb2Te5. Сделан обзор структуры, оптических итермических характеристик тонких пленок GST225. В этой главе так жерассмотрена проблема легирования ХСП и модели для объяснениянечувствительности к легирующим добавкам в ХСП. Приведены основныерезультаты о влияниях легирующих примесей на структуру и свойстватонких пленок соединения GST225.1.1Концепция фазовой памяти на основе халькогенидныхстеклообразных полупроводниковВ основе явления фазовой памяти лежит эффект электронногопереключения в ХСП, который был открыт для состава Tl-As-Se(Te) вФизико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе СССР в 1963г. Коломийцеми Лебедевым [5], а также эффект обратимого переключения на составеSi12Te48As30Ge10 (STAG), о чем сообщил Овшинский в 1968г.

[6]. Используяэти эффекты, Овшинский с сотрудниками продемонстрировали возможностьэлектрического и оптического способа хранения информации с помощьюячеек на основе ХСП [7,8].Суть эффекта переключения заключается в быстром переходематериала из высокоомного состояния (off state) в низкоомное (on state) приприложении напряжения определенной величины Vth. При этом структураметалл/ХСП/металл имеет S-образную вольтамперную характеристику сучастком отрицательного сопротивления [2,9].11Первоначально ХСП находится в высокоомном состоянии (удельноесопротивление составляет ~105 Ом.см), а ВАХ структуры имеет линейныйхарактер и подчиняется закону Ома. При напряженности электрическогополя ~105 В/см линейная зависимость сменяется экспоненциальный [10]. Придостижении некоторой пороговой величины напряжения Vth ~105 В/см, черезнекоторое время задержки td происходит переключение в низкоомноесостояние, происходящее за время собственного переключения tsw ≪ td.

ТокIth при этом возрастает из высокоомного состояния в проводящее состояниеIon. Удельное сопротивление ХСП уменьшается на 5 – 6 порядков величины динамическое сопротивление приборной структуры составляет ~1 Ом.см[10].(а)(б)Рисунок 1.1. Эффект переключения (а) и памяти (б) [9].Если сразу после эффекта порогового переключения ток в низкоомномсостоянии уменьшить, то при достижении некоторой его величины,соответствующейзначениюнапряженияVhпроизойдетобратноепереключение в высокоомное состояние за время восстановления tr (рис1.1а). Такой переход не связан с фазовым переходом в материале, аобусловлен переходом в другое электронное состояние [2,9].

Благодаряобратимости в английской литературе эффект переключения часто называютобратимый пробой.12Если низкоомное состояние поддерживать в течение некотороговремени,тонизкоомноесостояниесохранитсядажепослеснятиянапряжения (эффект переключения с памятью). В этом случае в результатеразогрева за счет прохождения тока в материале происходит фазовыйпереход [2,9], как правило, из аморфного состояния в кристаллическое инаоборот (рис. 1.1б).1.2Современные типы устройств фазовой памятиРазвитие информационных технологий в значительной степениопределяется информационной емкостью используемых запоминающихустройств, то есть количеством информации, приходящимся на единицуобъема вещества, а также их быстродействием.

Систему называютзапоминающим устройством, если она обладает способностью воспринимать,сохранять и воспроизводить информацию, обеспечивая определенныйвременной интервал между моментами записи и считывания информации[11]. Оно состоит из запоминающих элементов (ячеек памяти), связанных сканалом ввода/вывода информации. В вычислительной технике информацияпредставлена в двоичном коде, поэтому запоминающее устройство должносодержать набор элементов, находящихся в одном из двух устойчивыхсостояний: логического нуля и единицы.

Каждый такой элемент называетсяячейкой памяти. Запоминающие устройства классифицируют по назначению,характерухраненияинформации,физическимпринципамработы,технологии изготовления и т.д. По принципу записи информации,запоминающие устройства делятся на магнитные (Hard Disk Drive – HDD),полупроводниковые (флэш-память - Flash Memory) и оптические устройства[12,13].До сих пор широко ведутся работы по поиску новых принциповсозданиязапоминающихустройствиулучшениюпараметровужесуществующих. Среди таких типов запоминающих устройств следуетвыделить память, выполненную на материале с изменяемым фазовым13состоянием, или фазоинверсная память (Phase Change Memory – PCM, PhaseChange Random Access Memory - PCRAM, Phase Random Access Memory PRAM).Принцип записи и стирание данных в подобных устройствах PCMоснован на быстротекущих, обратимых фазовых переходах «аморфное ↔кристаллическое», происходящих в нанообъеме материала: в случаеоптических дисков таким параметром является оптическое отражение(логическому нулю и единице ставятся в соответствие различные значенияоптических показателей отражения материала в разных фазовых состояниях),в электронных ячейках характеристический параметр – сопротивлениенанообъемахалькогенидныхстеклообразныхполупроводников(ХСП)(логическому нулю и единице ставятся в соответствие различные значенияэлектрического сопротивления материала в разных фазовых состояниях).

Длясохранения аморфного или кристаллического состояния не требуется затратэнергии, поэтому фазовая память является энергонезависимой. При этомфазовый переход и связанные с ним запись или стирание данных происходитв результате нагрева материала до определенной температуры с помощьюлазерного излучения или электрического тока [14].1.2.1. Перезаписываемые оптические дискиПримерами коммерчески успешного использования устройств фазовойпамяти являются перезаписываемые оптические диски хранения информацииразличных форматов: CD-ROM (первое поколение), DVD-RAM, DVD±R/RW(второе поколение) и дисках: AMD, Amedia, Digitex, HP, Imation, MBI,Memorex, Philips, Smartbuy, Sony, TDK, Verbatim и т.д.За два десятилетия диски стандартного диаметра 12 см прошлизначительный путь в развитии технических характеристик: от объема в 650Мбайт (МБ) и скорости обмена информацией 4,3 Мбит/сек, характерных дляCD и CD-ROM, до объема в 25 ГБ информации, двухслойные – 50 ГБ,14трехслойные – 100 ГБ и четырехслойные – 128 ГБ при скорости обмена36Мбит/сек, характерных для дисков Blu-Ray.Принципиальным отличием дисках формата Blu-Ray от DVD являетсято, что для записи информации используется лазерное излучение с меньшейдлиной волны (405 нм), чем у обычных оптических дисков (обычные DVD иCD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и780 нм соответственно).

Это позволило сузить дорожку записи с 0.74 мкм до0,32 мкм по сравнению с обычным DVD-диском и привело к существенномуувеличению плотности записи информации. Уменьшение длины волны,использование числовой апертуры, равной 0,85 (в сравнении с 0,6 для DVD),высококачественной двухлинзовой системы, а также уменьшение толщинызащитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставиловозможность проведения более качественного и корректного осуществленияопераций чтения/записи.

Это позволило записывать информацию в меньшиеобласти (spot в англ. аббревиатуре) на диске, а значит, хранить большеинформации в физической области диска, а также увеличить скоростьсчитывания до 54 МБ/с [3,15].Впоследнеевремя,японскиекорпорацииSonyиPanasonicразрабатывают новый стандарт Archival Disc для длительного храненияцифровой информации (в течение 50 лет).

Диски смогут противостоятьвнешним воздействиям: пыли, грязи, влаге и перепадам температур. Впервыеформат анонсирован 10 марта 2014 года, выпуск планируется в 2015 году.Оптические диски Archival Disc смогут вмещать 300 Гбайт данных. Дляработы с дисками будет применяться оптическая система с длиной волны405 нм. Структура дисков предполагает формирование трѐх слоѐв на каждойстороне.

Таким образом, на каждом слое будет храниться 50 Гбайт данных. Вперспективе планируется выпуск оптических дисков Archival Disc ѐмкостью500 Гбайт и 1 Тбайт [16].151.2.2.Физическиепроцессыфазовойпамяти,лежащиевоптических дисках с возможностью многократной записиВ дисках CD-RW, DVD±RW, DVD-RAM, BD-RE, допускающихвозможность многократной записи и стирания информации за счѐтизмененияфазовогосостоянияинформационногослоя,модуляцияинтенсивности отражѐнного света обеспечивается различием прозрачности ваморфном и кристаллическом состояниях расположенного перед зеркальнымслоем сложного сплава (Ag-In-Sb-Te, Ge-Sb-Te, Ge-Sb-Te-N, Ge-Sn-Sb-Te,Ge-Bi-Sb-Te, Ge-Bi-Te или Ge-In-Sb-Te). Фазовые переходы происходят завремяпорядка10нсблагодарялокальномуразогревуматериаласфокусированным лазерным пучком [3].Рисунок 1.2.