Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 3

Схема профилей «температура-время» при записи (слева)и стирании (справа) в ячейке оптической фазовой памяти [3]. Tпл и Tкр –температура плавления кристаллического и температура кристаллизацииматериала ФП.Запись: разогрев лазерным пучком выше температуры плавления(600ºС) и быстрое охлаждение до температур, при которых кристаллизацияне успевает произойти и сплав остаѐтся аморфным в течение оченьдлительного времени (108-109 с);Стирание: надо вернуть вещество в кристаллическое состояние;разогрев ниже температуры плавления, но выше температуры 200ºС 16температурaкристаллизации,прикоторойкинетическивозможноформирование микрокристаллов, затем охлаждение (отжиг продолжается втечение времени tотж достаточного для восстановления кристаллическогосостояния вещества. Это время должно быть больше, чем времякристаллизации tкрист).Считывание информации осуществляется в изменении интенсивностиотражѐнногосветаиз-заразличиякоэффициентовпропусканияинформационного слоя в кристаллическом и аморфном состояниях.Считывание информации должно происходить без фазовых изменений.1.2.3.

Ячейка фазовой памятиПомимо оптических дисков для хранения информации, в которыхзапись, стирание и считывание информации производится лучом лазера,разработаны также ячейки фазовой памяти (РСМ Cells), управляемыеэлектрическим импульсом, которые по оценкам экспертов могут составитьконкуренцию в ближайшее время флэш-памяти (Flash Memory) [2].Рисунок 1.3. Устройство Т-образной ячейки фазовой памяти [17].Классическая Т-образная ячейка фазовой памяти представлена на рис.1.3, представляющая собой слой халькогенида, помещенный между верхнимслоем металлического контакта и нижним резистивным электродом.Сопротивление ячейки зависит от того, в каком состоянии находитсяхалькогенидный слой (кристаллическом или аморфном). При этом фазовый17переход и связанные с ним запись или стирание данных происходит врезультате резистивного нагрева материала до определенной температуры спомощью электрического тока.

Высокоомное аморфное состояние областипрограммированиясоответствуетсостоянию0,анизкоомноекристаллическое - состоянию 1.В режиме программирования через ячейку проходят импульс токадлительностью 50-100 нс, приводя к фазовому переходу в областипрограммирования. Эта область – слой халькогенида, располагающаясявблизи границы с нижним электродом, который называется нагреватель.Форма и размеры нагревателя выбираются таким образом, чтобы ограничитьобласть прохождения тока, удалить разогретую область от холодногонижнего контакта и снизить тепловые потери.1.2.4. Физические процессы, лежащие в ячейках фазовой памятиДля перевода материала в аморфное состояние, кристаллическийматериал нагревается выше температуры плавления, при этом длительностьимпульса тока не превышает 100 нс.

Скорость охлаждения должна бытьдостаточно высокой, чтобы образовывалась аморфная фаза. Сопротивлениеячейки в аморфной фазе составляет 1 Мом, что соответствует состоянию «0».Чтобы произошел обратный фазовый переход, запись состояния «1»,подается импульс тока меньшей величины, но большей длительности, иобласть программирования нагревается до температуры несколько нижетемпературы плавления. Кристаллизация протекает за время не более 100 нс.Приэтомсопротивлениеячейкисзакристаллизованнойобластьюпрограммирования становится порядка 1 кОм.В основе операции записи фазовой памяти лежит эффект электронногопереключениянахалькогенидныхстеклообразныхполупроводниках,который был описано в разделе 1.1. В режиме считывания на ячейку подается18смещение порядка сотен милливольт, при этом через ячейку протекает ток50-100 мА.

Время считывания составляет 50 нс [10,14].1.2.5. Задачи, стоящие перед разработчиками устройств фазовойпамятиНесмотря на то, что первые устройства PCM получены более сорокалет назад, наибольший интерес к ним проявляется в последние десять лет(как в научной, так и в инвестиционной среде). Наиболее перспективнымивыглядятразработкикомпанииSamsung,представившейпрототипустройства памяти на основе PCM с емкостью 512 МБ и начавшей егопроизводство [18].

Микросхемы PCM первоначальнопредполагаетсяустанавливать в мобильных телефонах. По оценкам специалистов компаниипереход от использования флэш-памяти типа NOR на PCM позволит на 30%снизить уровень энергопотребления и на 40% - занимаемое пространство.Однако относительно низкая информационная емкость этих устройств покане позволяет им конкурировать с другими видами запоминающих устройств,имеющимися на рынке [19].Недостаток РСМ ячейки заключается в необходимости передачиэнергии для нагрева элементов памяти до нескольких сотен градусов, на чтоуходит значительная энергия, хотя с уменьшением устройств на основеPCRAM уровень потребляемой мощности будет снижаться. Зато плотностьразмещения элементов хранения очень высока: всего несколько атомовнужны для создания ячейки, способной менять состояние с кристаллическогона аморфное.

Специалисты считают [18,19], что реальным значениемявляется 5 нм, а время переключения может достигать 1 нс. Но суменьшением этого параметра стабильность состояния также снижается,поэтому пока значение скорости переключения отстает в 10-100 раз отпотенциала. Задача инженеров — достижение оптимального соотношенияскорости и стабильности.19Как было описано в пункте 1.1.1, что при записи информации наоптических дисках длина волны лазерного излучения уменьшается сначала с650 нм (DVD) до 405 нм (Blu-Ray), что обусловлено сузить дорожку записи.На данный момент, задача для разработчиков состоит в том, что необходимоувеличить объем хранения информации на оптических дисках. Это можнодостигнуть, если уменьшать длину волны записи в ультрафиолетовуюобласть.

А создание источника лазерного излучения с ультрафиолетовойдлиной волны является технически сложной задачи и требуется много денег.Другим способом увеличения объема хранения информации являетсясоздание оптических дисков, содержащихся много слоев записанныхинформаций. Для этого необходимо сделать качественные слои оптическихдисков, используя недорогие материалы при этом техника нанесениепромежуточных слоев должно быть недорогой в плане реализуемыхпроцессов. Главная задача для компаний производителя - выпускать большойобъем качественных товаров по доступной цене, подбирая самые доступныематериалы и разрабатывая такие процессы, которые пригодны дляорганизации массового производства. Только так возможно создатькачественный продукт, жизнеспособный в рыночных условиях.В пунктах 1.1 и 1.2 были рассмотрены эффект переключение и так жефизические процессы, протекающие в оптических дисках и ячейках фазовойпамяти.

Далее будем рассмотреть структура, оптические, электрофизическиеи термоаналитические характеристики халькогенидных сплав.1.3Халькогенидныесплавы,применяемыевсовременныхустройствах фазовой памяти - оптических дисках различных форматовВ настоящее время среди наиболее перспективных материалов дляРСМ ячеек можно выделить следующие группы халькогенидных сплавов:Первая группа: соединения в тройной системе Ge-Sb-Te с различнымсоотношением элементного состава - Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4 (GST124), иGeSb4Te7 (GST147).

Материалы этой группы уже используются для20изготовления DVD-RAM и считаются наиболее перспективными дляизготовления ячеек фазовой памяти, управляемых электрическим импульсом.Вторая группа: соединения состав Sb и Te, легированные различнымиметаллами, как Ag и In, в частности это составы: Inx(Sb70Te30)1-x,AgxIny(Sb70Te30)1-x-y,Gex(Sb70Te30)1-x+Sb;Материалыэтойгруппыиспользуются для изготовления DVD-RW.Третья группа: соединения на основе SbxSe1-x, которые имеютнаиболее низкую температуру фазового перехода, и In2Se3, в которомнаблюдается наибольший перепад величины удельного сопротивления прифазовом переходе.

Данные соединения уступают материалам из первых двухгрупп.В таблице 1.1 представлены ХСП, которые с 80-х годов нашлипрактическое применение в устройствах фазовой памяти [3].Таблица 1.1. ХСП, применяемые при разработке устройств фазовойпамятиГод19711974198319851986198719881989199120012004СоставTe-Ge-Sb-STe-Ge-AsTe-Ge-Sn-OGe-Se-GaTe-Ge-Sn-Au, Sb2Se, In-Se, GeTe, Bi-Se-Sb, Pd-Te-Ge-SnGeTe-Sb2Te3-Sb, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb-Te-Co, Sb2Te3-Bi2Se3In-Sb-Te, In3SbTe2GeTe-Sb2Te3-Sb, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb-Te-Co, Sb2Te3- Bi2Se3Ag-In-Sb-TeGe-In-Sb-TeGe-In-Sn-Te1.4.СоединениеGST225:структура,оптические,электрофизические и термоаналитические характеристикиВ 1987 г.

Ямада с соавторами предложили использовать сплавы наквазибинарном разрезе GeTe-Sb2Te3, обладающие высокой стабильностью ималым временем переключения. Аморфные слои и пленки из данных21материалов можно получить при различных методах осаждения, например,при магнетронном сораспылении мишеней соответствующего состава илитермическом осаждении в вакууме. Характерной особенностью данныхтонкопленочных соединений является их способность к быстрым иобратимым переходам между кристаллическим и аморфным состоянием поддействием низкоэнергетических внешних воздействий [20].Рисунок1.4.Времякристаллизациисоединений,лежащихнаквазибинарной линии Sb2Te3 - GeTe. [1]Из представленного рис.

1.4, при движении по квазибинарному разрезуGeTe - Sb2Te3 в направлении от Ge2Sb2Te5 к GeSb2Te4 и далее к GeSb4Te7температура первого фазового перехода (аморфная↔ метастабильнаякубическая фаза) уменьшается приблизительно от 150 до 100С, а времяфазового перехода - со 100 до 30 нс [1,21]. Более этого, материал становитсяменее стабильным и со временем может происходить кристаллизацияаморфного материала при комнатной температуре.