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

Приведены основные положения, выносимые назащиту.Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации.Рассмотрена концепция фазовой памяти на основе ХСП, в которой лежит эффектпереключения под действием электрического импульса. Рассмотрена структурнаямодель типа «umbrealla flip» (Колобов и др.) для объяснения сильного измененияоптических констант GST при лазерном облучении. Рассмотрены халькогенидныесплавы, применяемые в устройствах фазовой памяти, в частности перезаписываемыхоптических дисках различных форматов.

Основное внимание уделено анализу работ,посвященных соединению Ge2Sb2Te5. Приведен обзор структурных, оптических итермических характеристик тонких пленок GST225. В главе так же рассмотренапроблема легирования ХСП и проанализированы модели для объяснения6нечувствительности к легирующим добавкам в ХСП. Приведены основныерезультаты о влияниях легирующих примесей (N, SiOx, Bi, Sn) на структуру исвойства тонких пленок соединения GST225. На основании литературных данныхсформулированы цели и задачи диссертационной работы.Вторая глава посвящена 1) методикам получения исходного состава; 2)методам диагностики и изучения оптических характеристик тонкопленочныхструктур; 3) методам расчета оптических констант.Прямой синтез сплавов Ge-Sb-Te-Bi, Ge-Sb-Te-In и Ge-Sb-Te-Sn осуществлялсяиз элементов полупроводниковой степени чистоты (остаточное давление в ампулахпорядка ~10-4 Па, максимальная температура синтеза 8000С). Были синтезированыполикристаллические сплавы с содержанием 0.5, 1 и 3 масс.% Bi, Sn, In, а такжеисходное соединение Ge2Sb2Te5.

Аморфные тонкие пленки были получены изсинтезированных материалов термическим осаждением на холодные подложки Si(100) и на подложки из оптического стекла марки К8 в вакууме при температуреиспарителя не более 6000С . Кристаллические пленки получены путем отжигааморфных пленок при температуре 170 ± 10С в течение 5 часов в инертной атмосфере(Ar). Выбор температуры отжига обусловлен кристаллизацией аморфной фазы вкубическую структуру fcc типа NaCl для состава GST225 согласно литературнымданным [2,3].Фазовый состав полученных тонких пленок определялся по даннымрентгенофазового анализа (РФА) (Bruker D8 Advance, Cu Kα λ=0.15481 нм, шаг 0,020,2θ=10-600).

Для элементного анализа тонких пленок применялись методы ОРР*(точность метода ± 5%, Еd =1,0 МэВ, Еα = 2,7 МэВ, угол рассеяния φ = 135о) ирентгеновский микроанализ* (РСМА САМЕВАХ). Для исследования влияниялегирующих добавок на структуру ближнего порядка тонких пленок GST225использовался метод КРС. Измерения проводились на комбинационном спектрометреRenishaw 1000*(разрешение 1 см-1, диодный лазер λ=785 нм, диаметр пятналазерного пучка d=1 мкм). Оптические спектры пропускания измерялись прикомнатной температуре на спектрофотометре «Cary 5000» в диапазоне 400 – 2500 нм,с разрешением 0.05 нм.

Определение оптических констант проводилось методомспектральной эллипсометрии. Экспериментальные измерения были проведены наприборе ЭЛЛИПС-1881А в диапазоне 380 – 1050 нм при фиксированном углепадения света 75о.Расчет коэффициента поглощения α по измеренной спектральной зависимостипропускания T(λ) проводился с использованием программного обеспечения PUMA[5]. Дисперсия для T(λ) аппроксимировалась в соответствии с формулой [6]:Тонкие пленки были получены в Московском институте электронной техники (МИЭТ)Петербургский институт ядерной физики им.Б.П. Константинова РАН;Физико-технический институт им.

А.Ф. Иоффе РАН;Институт физики твердого тела и оптики ВАН (Будапешт, Венгрия).7T( )B1A1eC1e ddD1e2 d4 k;(1), где d - толщины пленки.В области E > Eg спектральная зависимость коэффициента поглощенияописывается моделью Тауца [7]:B(Eg )2 (2), здесь Eg – оптическая шириназапрещенной зоны для аморфного полупроводника. При E < Eg наблюдаетсяразмытый спад («хвост») коэффициента поглощения, который соответствуетэкспоненциальному закону или т.н.

правило Урбаха [4].Спектральные зависимости показателя преломления n и коэффициентаэкстинкции k были рассчитаны по экспериментальным эллипсометрическимпараметрам Ψ и Δ методом численного моделирования. Дисперсия для n и kаппроксимировалась упрощенными формулами Форохи - Блумера [8]:k()A( E Eg ) 2E2BE C(3) и n()n( )B0 E C0E 2 BE C(4),здесь Eg - оптическая ширина запрещенной зоны; n( ) - показатель преломления привысоких значениях энергии фотонов.Важным оптическим параметром материала ФП, критичным для работыоптических дисков, является его оптический контраст, который определялся как:n(крис.) n(аморф.)n i k (5).

Для оценки влияния легирования примесей наоптический контраст пленок Ge2Sb2Te5 рассчитывался модуль комплексногопоказателя преломления по ф. 6, который затем нормировался в соответствии с ф. 7относительно значений для нелегированного состава GST225:R( n) 2( n) 2( k )2(6) и R(%)RGST 225Bi / In / SnRGST 225RGST 225100%(7)Интенсивность, отн. ед.Третья глава посвящена исследованию оптических свойств аморфных икристаллических тонких пленок GST225.(200)Пленки были исследованы в разных(111)фазовых состояниях, поэтому был(220)выполнен РФА для пленок до и после2(222)термообработки.РезультатыРФАSiпредставлены на рис.1. Видно, что вспектре 1 присутствует гало в области1углов2θ~17-500,обусловленноеаморфной фазой, а рефлекс при2θ~33.410 связан с подложкой Si.10152025303540455055602 град.Дифрактограммы отожженной пленки Рисунок 1.

Дифрактограммы пленок GST225:пленка; 2 - отожженная пленкаGST225 из спектра 2 показывают 1 – исходная аморфнаяGST225 при 1700 в 5 часов (ГЦК фаза).гранецентрированнуюкубическую(ГЦК) фазу. Полученные дифрактограммы показывают, что пленка переходит изаморфной в кристаллическую фазу после термообработки.8Интенсивность, отн.ед.Было проведение измерения КРС153125для тонких пленок GST225, результаты80CBAкоторых представлены на рис. 2.ПолученныеспектрыКРС3118 158аппроксимировалисьраспределениемBCГаусса при критерии согласия не хуже,чем R2=0.996.

Пики А, B и C (таб. 1)2Dнаблюдались в КРС спектрах тонких1пленок в обеих фазах. Слабый по100150200250300350400450интенсивности пик D наблюдался толькоВолновое число, смв спектрах КРС аморфных пленок GST225. Рисунок 2. Спектры КРС для пленок GST225:В кристаллических пленках GST225 1 - аморфная пленка; 2 - кристаллическая пленка;3 – аморфная пленка после аппроксимации(рис. 2, спектр 2) положения наиболее распределением Гаусса. Пики в 80, 125, 153 и 300-1интенсивных пиков В и С смещаются в см обозначены как A, B, C и D, соответственно.противоположных направлениях по сравнению с аналогичными полосами дляаморфных пленок GST225 (в ~118 и ~158 см-1).

Пики в спектре соответствуютколебаниям мод GeTe4 тетраэдра, и SbTe3 пирамиды или связи Sb-Sb вэтиленоподобных структурных единицах типа (Te2)Sb-Sb(Te2) или (TeSb)Sb-Sb(Te2).6080100120140160180-1Таблица 1. Параметры пиков в результате обработки спектры КРС.Сдвиг,λ (см-1)80125153Коэффициент поглощения-1см )3004,0x1043,5x1043,0x1042,5x1042,0x1041,5x1041,0x1045,0x103Полуширина, Интенсивность∆λ (см-1)(нормированная)2225.62737.12837.3--1100Пропускания, T (%)Типы колебания структурныхединицAE моды GeTe4BGeTe4-nGen (n=1,2)CA21g моды Sb2Te3Растяжение связи Ge-Ge вDэтаноподобном кластере иличистом тетраэдре GeБыло проведено измерениеоптического пропускания и расчетыпо ф. 1 коэффициента поглощенияаморфных тонких пленок GST225(рис.

3, кривая 1). Видно, что степеньсходимости расчетных и измеренныхспектровявляетсявысокой2-4(σ = 7.65.10 ) (рис. 3, кривая 2). Дляаморфных тонких пленок GST225были получены значения Eg = 0.61 эВи энергии Урбаха E0 = 0.13 эВ всоответствии ф. 2.Пики8026040200,05001000Длина волн, нм150020000,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2Энергия (эВ)Рисунок 3. Расчетный спектр коэффициента поглощения (1),измеренный (точки) и рассчитанный (сплошная линия) спектрыпропускания (2) аморфной тонкой пленки GST225.9nkОптические константы (n и k) были определеныметодом спектральной эллипсометрии с использованиемдвухслойной модели исследуемой структуры на основетонких пленок GST225 (рис. 4). Первый слой – этопленка GST225; второй слой - смесь 95% GST225 и 5%Рисунок 4.

Двухслойная модель.воздуха. Результаты расчетов представлены на рис. 5.Точность расчетов варьировалась в диапазоне 0.01 - 0.02 для значений n и k. Введениевторого слоя пленки позволяло учитывать шероховатость поверхности тонкой8пленки. Результаты выполненногоnc 5kcмоделированиякоррелируютс7экспериментомметодоматомно46 Blu-Ray Recordingсиловой микроскопии (АСМ). При5na 3переходе из аморфной фазы вkaкристаллическуюнаблюдается42увеличениезначенийnиk.31Штриховыми линиями на рис.5DVD Recording2отмечены рабочие длины волн для03004005006007008009001000оптических дисков формата Blu-RayДлина волн, нм(400 нм) и формата DVD-RW (650 Рисунок.

5. Спектральные зависимости n и k дляаморфной (а) и кристаллической (с) пленки GST225.нм).Полученныйоптическийконтраст по ф. 5 для λ = 400 нм составлен 0.18 + i3.34 и при λ = 650 нм: 2.86 + i2.13.При кристаллизации аморфных пленок наблюдается уменьшение Eg от 0.63 до 0.4 эВ.Рассчитанные значения Eg были получены с использованием ф. 3 и ф.

4.Таким образом, можно сделать вывод, что удовлетворительное совпадениезначений Eg для аморфных пленок, полученных двумя разными расчетнымиметодами, является одним из доказательств адекватности используемых методик дляматериалов фазовой памяти. Полученные результаты соответствуют значениям,приводимым в литературе [1,3].В четвертой главе рассмотрено влияние легирующей примеси Bi наоптические свойства тонких пленок GST225. Для определения количества вошедшегов пленки висмута, был проведен элементный анализ.