Диссертация (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 7

Увеличение содержаниявисмута приводит к уменьшению поверхностного сопротивления до 103Ом/квадрат и более при большем содержании висмута.На рисунке 1.17 показана температурная зависимость поверхностногосопротивления пленки состава Ge2Bi0,3Sb1,7Te5 при скорости нагрева 2,5град/мин [93]. Поверхностное сопротивление пленки составляло ~51МОм/квадрат, что соответствует сопротивлению ~420 Ом.см. Поверхностное41сопротивление непрерывно убывает до резкого скачка при температуре136°С.

Уменьшение поверхностного сопротивления при первом фазовомпереходе составляет более 3 порядков. При дальнейшем нагреве второйпереход наблюдается при температуре 236°С.Рисунок1.17.Температурнаязависимостьповерхностногосопротивления пленки состава Ge2Bi0,3Sb1,7Te5 при скорости нагрева 2,5град/мин [93].Кроме того, в работе [93] показано, что введение Bi в Ge2Sb2Te5(GST225) приводит к уменьшению времени кристаллизации на 30% посравнению с нелегированным GST225.Такимобразом,легированиепримесейпозволяетуправлятьхарактеристиками GST для дальнейшего их использования в устройствахфазовой памяти.42Выводы по главе 1В настоящее время ФП и материалы ФП является перспективным1.направлениям для исследований, поскольку устройства фазовой памятиобладают значительно большим числом циклов записи и стирания, поразнымданнымот106до1013цикловизначительнобольшимбыстродействием: время записи, удаления и считывания составляет 50 нс,что в 103 раз меньше, чем у современных образцов флэш-накопителей.

Приэтом запись и удаление данных осуществляется при чрезвычайно низкойпотребляемой мощности. На данный момент не сформулированы какие-либофизические ограничения для уменьшения размеров ячеек фазовой памяти.Дальнейшее2.материаловФП,улучшениеобеспечивающеехарактеристикмаксимальнуюфункциональныхскоростьфазовогоперехода, большое количество циклов запись/стирание и наименьшиезатраты энергии при операциях программирования, чтения и стиранияинформации представляет собой важную научную и практическую задачу.Одним из способов управления свойствами материалов ФП являетсялегирование, которое позволяет изменить характеристики ХСП.Экспериментальные данные об изменении оптических свойств,3.критичных для работы устройств ФП при введении примесей, в литературепрактически отсутствуют.4.ВсоединенииGe2Sb2Te5 имеютсякатионныевакансиивметастабильной кристаллической структуре, концентрация которых лежит вдиапазоне от 10 до 20% по разным оценкам; соответственно, существуетвероятность того, что элемент с близкими атомными и ионными размерами кразмерам одного из компонентов сможет занимать имеющиеся вакансии, невнося значительных деформаций в матрицу материала.43Глава 2.

Экспериментальная частьВ данном разделе представлены методики получения образцов, методыих диагностики и изучения оптических характеристик тонких пленок.2.1 Методы получения образцов для исследования2.1.1. Синтез сплавов системы Ge-Sb-TeСинтез халькогенидов проводился по методике, впервые предложеннойв работе [54] и доработанной впоследствии.

Для приготовления образцов GeSb-Te различного состава в качестве исходных материалов используютсяэлементы полупроводниковой степени чистоты: германий с удельнымсопротивлением 10 ом·см, сурьма и теллур с содержанием примесей <0.05масс.%. Сплавы изготавливались из лигатур, которыми служили соединенияGeTe и Sb2Te3. Характеристики соединений системы Ge-Sb-Te прикомнатной температуре представлены в таблице 2.1.

Как было описано вглаве 1, для данных соединений при плавлении в условиях близких кравновесным образуются кристаллы и расплав различного состава поперитектической реакции, т.е. твердый раствор разлагается на жидкость итвердый раствор другого состава.Таблица 2.1. Характеристики сплавов Ge-Sb-Te [54]ФормулаСостав, мол.%Sb2Te3GeTeTплав. 0CGe1Sb4Te766,733,3605Ge1Sb2Te45050615Ge2Sb2Te533,366,7630ХарактеристикаплавленияПеритектическаяреакцияПеритектическаяреакцияПеритектическаяреакцияСинтез материалов проводился путем плавления лигатур необходимогосостава в вакуумированных кварцевых ампулах при остаточном давлении вампуле порядка 10-4 Па. Масса шихты выбиралась равной 2г.

При синтезесплавов Ge-Sb-Te температура в печи поднимается непрерывно до 500°С со44скоростью 3-4° в минуту, расплавы выдерживаются при этой температуре втечение 4-6 ч. Затем температура поднимается непрерывно до максимальной750°С скоростью 3-4° в минуту.

Для получения однородных сплавовнеобходимо применение принудительной гомогенизации расплава. Для этойцелипроведениесинтезаосуществлялосьвовращающихсяпечах,принципиальная схема которой представлена на рис. 2.1. При достижениитемпературы до 750°С включалось вращение. Сплавы выдерживались вовращающихся печах в течении 2 часа. Для синтеза состав, содержащихлегирующих примесей (Bi, Sn, In) данный метод также подходит, посколькутемпературасинтезазначительнопревышаеттемпературуплавленияBiIn= 271.4 0 C , Tплавл.= 156.4 0 C ,соответствующего легирующего элемента ( Tплавл.SnTплавл.= 231.9 0 C )[95].Рисунок 2.1. Принципиальная схема вращающейся печки для синтезаматериалов: 1 - корпус печи; 2 - алундовая труба; 3 – термоизолятор; 4 –ампула; 5 – нагреватель; 6 – вращающий механизм; 7 – термопара; 8 –регулятор мощности Fotek EPS 1-60; 9 – термоконтроллер Delta DTA4848;10 – источник тока.45ТемпературарегулироваласьпечивоавтоматическивремясинтезаприпомощиподаннойпрограмметермоконтроллераDeltaDTA4848 (диапазон напряжения - 85%-110% от номинального напряжения;потребляемая мощность -5ВА макс.; точность отображения - 0 или 1 цифрапосле запятой).

При температуре в печи ниже или выше установки,термоконтроллер падает сигнал на регулятор мощности Fotek EPS1-60(максимальный длительный ток нагрузки – 60А; макс. кратковр. ток нагрузки- 1200 А) для изменения тока в нагреватели.В работе применялся метод отжига сплавов в запаянных ампулах,заполненных аргоном под давлением 0,5 атм в течении суток, притемпературе 500°С. Были синтезированы поликристаллические сплавыGST225 с содержанием 0.5, 1 и 3 масс.% Bi, Sn, In, а также нелегированноесоединение Ge2Sb2Te5.2.1.2.

Методы получения аморфных тонкопленочных структурДля осаждения тонких пленок использовался метод термическогоиспарения и конденсации, который является простым и значительно болееоперативным, чем наиболее распространенный метод получения тонкихпленок GST - метод магнетронного распыления.Принято считать, что основной недостаток данного метода связан стем, что состав пленок, получаемых в результате испарения и конденсации ввакууме, сильно зависит от температуры испарения и может отличаться отсостава исходного распыляемого вещества.

Результаты элементарногоанализа (см. главы 3-5), полученные при исследовании тонких пленокGe2Sb2Te5, показали удовлетворительную близость химического составапленок, осажденных данным методом, к составу испаряемого вещества.Тонкие пленки были получены из синтезированных материалов наустановке УВН-2М-1 1 термическим осаждением в вакууме на холодную1Пленки были получены в Московском институте электронной техники (МИЭТ).46подложку при температуре испарителя не более 6000С.

Принципиальнаясхема испарительной части приведена на рис. 2.2.Рисунок2.2.Принципиальнаясхемаустановкитермическоговакуумного напыления: 1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали;2 - заслонка; 3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака;4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру;5 - подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещентрафарет; 6 - герметизирующая прокладка из вакуумной резины;7 - испаритель с размещѐнным в нѐм веществом и нагревателем.Оптимальное расстояние между испарителями и их расстояние доподложки подбиралось опытным путем и варьировалось в диапазоне10-15 см.

Длительность выдержки была определенна опытным путем иобусловлена количеством испаряемого вещества в тигле. Например, дляполного удаления 80 мг GST достаточно 3-5 минут. Осаждение тонкихпленок проводилось в форсированном («взрывном») режиме, при которомисходный материал испарялся из молибденовой лодочки, которая резкоразогревалась за счет протекания высокого тока (10А). Остаточное давлениев камере в процессе получения тонких пленок составляло 10-4 Па. Данный47режим обеспечивает получение аморфных пленок, что было подтвержденорезультатами рентгенофазового анализа (РФА), представленными в главах3-5.Тонкопленочныеобразцыбылиосажденынаподложкимонокристаллического Si (100) и прозрачные подложки размером 15×15 мм2из стекла марки К8.2.1.3.

Кристаллизация аморфных пленокКак показано в главе I, материалы ФП широко используются вперезаписываемых оптических дисках, в которых процесс кристаллизациипроисходит в масштабе наносекунд при разных мощностях лазерногооблучения (150-300 мВт при длине волны 650 нм для DVD-RW или 60-150мВт при длине волны 400 нм для Blu-Ray дисков [3,96]). Кристаллизацию также можно осуществить путем отжига аморфной пленки при постояннойтемпературе.Сначала рассмотрим процесс кристаллизации под действием лазера. Взависимости от механизма кристаллизации материалы ФП разделены на двегруппы, представленные на рис.2.3.Рисунок 2.3.

Диаграмма составGe-Sb-Te с разными механизмамикристаллизации. Группа I – механизмзародышеобразованиякристаллизации, группа II – механизмроста кристаллизации [96].СоединениеGST225относитсякгруппеIсмеханизмомкристаллизации зародышеобразования и роста кристалла (или нуклеации).Под лазерным излучением аморфные метки на кристаллическом слоеGST225 начнутся кристаллизовать.