Автореферат (Оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей), страница 4

Показано, чтовозможный вклад в изменение оптического контраста от коэффициента экстинкцииможно ожидать в том случае, если легирование вызывает изменения оптическойширины запрещенной зоны; в случае же, если подобные изменения отсутствуют илиони незначительны, то вклад, по-видимому, является незначительным. С точки зрениязонной теории, это означает, что в данном случае должна меняться энергия потолкавалентной зоны. Из сравнения результатов, представленных на рис. 10, видно, чтовведение легирующих примесей типа индий и висмута, замещающих сурьму,эффективно в том случае, когда Eg меняется более, чем на 0.05 эВ; в случае же, еслиизменения меньше, то эффект либо отсутствует, либо он отрицателен, т.е.

оптическийконтраст уменьшается. Наблюдается сл. корреляция: чем больше разница значений Egу легированной и нелегированной пленки, тем больше величина эффекта дляоптического контраста, что видно на примере составов GST225 +0.5%In и GST225+3%Bi.Показатель преломления n, также входящий в расчетную формулу оптическогоконтраста, связан с диэлектрической ( ) и магнитной ( ) проницаемостью среды1 , то принимаем,соотношением n. Поскольку в оптической области спектрачто n. Выполненный анализ возможных изменений диэлектрическойпроницаемости и, соответственно, показателя преломления показал, что введениепримесных элементов, понижающих энергию химической связи, можетспособствовать увеличению показателя преломления среды.

Полученные в даннойработе экспериментальные результаты, в общем, соответствуют данной тенденции,что продемонстрировано на увеличении показателя преломления по даннымэллипсометрии, поскольку легирование уменьшает энергию химической связи.Например, для химической связи Sb – Te и In – Te энергия уменьшается по сравнениюсо связью Sb - Te с 277.4 кДж/моль до 232 кДж/моль и 218 кДж/моль, соответственно,и с 402 кДж/моль для связи Ge-Te до 319.2 кДж/моль для Sn – Te [9].Помимо энергетических параметров, при анализе принимались во вниманиекристаллохимические характеристики, учитывающие то, как могут менятьсяпараметры кристаллической решетки (параметры ближнего порядка в аморфнойматрице) при изоморфном замещении. Анализ литературных показал, что приизоморфном замещении сурьмы на индий или висмут, а также германия на оловопроисходит увеличение параметров решетки (ближнего порядка), т.к.

увеличиваетсяковалентный радиус атома (с 1.40Å (Sb) до 1.44Å (In) и 1.48Å (Bi), соответственно).Также анализировалось соблюдение эмпирических правил изоморфизма для каждой15легирующей примеси. В случае легирующей примеси Sn хорошо выполняется дваосновных правил изоморфизма: эффективный ионный радиус Sn (0.71 Å) практическисовпадает с эффективным ионным радиусом Ge (0.73 Å) (разница составляет 3%), чтоявляется примером совершенного изоморфизма, и позволяет олову эффективнозамещать Ge в подрешетке GeTe. Введение Bi оказывает менее эффективное влияниена оптический контраст по сравнению со случаем Sn, поскольку, во-первых, Biизоморфно замещает Sb; во-вторых, эффективный ионный радиус Bi (0.74 Å) большена 19%, чем ионный радиус Sb (0.62 Å).

Соответственно, эффективный ионныйрадиус In (0.81 Å) больше на 30% эффективного ионного радиуса Sb, что являетсяограниченным изоморфизмом для атома Sb.Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных ивыполненного анализа высказано предположение, что основная причина измененияоптического контраста тонких пленок фазовой памяти – это степень эффективностипримесного замещения основных компонентов (германия или сурьмы) исоответствующие изменения энергии химической связи. В случае минимальныхизменений структуры ближнего порядка, соответствующей Ge-Sb-Te, приодновременном уменьшении энергии химической связи наблюдается увеличениеоптического контраста (случай легирования оловом); напротив, в случае, когда впринципе изоморфное замещение возможно, но оно вызывает значительныеизменения ближнего порядка, то наблюдается уменьшение оптического контраста(случай замещения сурьмы индием). В промежуточном случае (легированиевисмутом) мы наблюдаем ситуацию, когда оптический контраст может иувеличиваться, и уменьшаться в зависимости от концентрации вводимой примеси.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫВ результате проделанной работы получены следующие основные результаты:1.Синтезированы аморфные тонкопленочные структуры GST225 сразличным содержанием легирующих примесей Bi, Sn, In (0.5, 1 и 3 масс.%), чтоподтверждено результатами химического анализа и РФА, на подложках измонокристаллического кремния и оптического стекла.2.Показано, что введение висмута, индия и олова происходит помеханизму примесного замещения основных компонентов (германия или сурьмы) вматрице GST225 в соответствии с данными РФА и КРС.3.Разработана двухслойная модель тонких пленок GST225 легированныхвисмутом, оловом и индием, описывающая спектральные зависимости оптическихконстант.4.Установлено, что при введении легирующих примесей наблюдаетсяизменение ширины оптической запрещенной зоны (Eg) и характеристической энергииУрбаха (E0).

Выявлено аномальное поведение оптических характеристик при16введении 0.5 масс. % Bi: увеличение Eg и одновременное уменьшение E0относительно значений для нелегированной аморфной пленки GST225.5.Установлено, что при кристаллизации аморфных пленок GST225происходит уменьшение величины ширины оптической запрещенной зоны Eg,обусловленное упорядочением структуры.6.Установлено, что введение висмута происходит увеличение оптическогоконтраста тонкой пленки: при λ = 400 нм увеличение оптического контрастасоставляет около 30% и 15-40% при длине волны λ = 650 нм в зависимости отконцентрации висмута. Аналогичное поведение наблюдалось для случая легированияоловом: при λ = 400 нм увеличение оптического контраста составляет около 18% иварьируется в диапазоне 12-54% в зависимости от концентрации олова при длиневолны λ= 650 нм.Основные публикации автора по теме диссертацииПубликации в изданиях, рекомендованных ВАХ России:1.

Sergey Kozyukhin, Vera Kudoyarova, Huy Phuc Nguyen, Alexander Smirnov andViktor Lebedev. Influence of doping on the structure and optical characteristics ofGe2Sb2Te5 amorphous films // Physica Status Solidi C. – 2011. – Vol. 8. – No. 9. – Pp.2688-2691. doi: 10.1002/pssc.201084060.2.

P. Lazarenko, Huy Phuc Nguyen, S. Kozyukhin, A. Sherchenkov. Influence of Bidoping on electrical and optical properties of phase change material Ge2Sb2Te5 // Journal оfOptoelectronics and Advanced Materials. – 2011. – Vol. 13. – No.11-12. – Pp. 1400-1404.ISSN: 1454 – 4164.3. Х. Ф. Нгуен, С.А. Козюхин, И.В. Разумовская. Оптические константылегированных Bi и In аморфных пленок Ge-Sb-Te, используемых в устройствахфазовой памяти // Преподаватель XXI Века.

– 2012. -№ 3. – 207-211. ISSN 0959-9436.4. С.А. Козюхин, Х.Ф. Нгуен, М. Вереш, В.Х. Кудоярова, И.В. Разумовская.Легирование изоморфными примесями материалов фазовой памяти Ge-Sb-Te поданным спектроскопии комбинационного рассеяния света // Вестник РГРТУ. – 2012. № 4, вып. 42, часть 2. - С. 74-80.

ISSN 1995-4565.5. П.И. Лазаренко, С.А. Козюхин, А.А. Шерченков, В.Г. Литвинов, А.В.Ермачихин, Х.Ф. Нгуен, Е.Н. Редичев. Электрофизические свойства аморфныхтонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi // Вестник РГРТУ. – 2013. - № 4, вып. 46,часть 3.

- С. 83-87. ISSN 1995-4565.6. S. Kozyukhin, M. Veres, H. P. Nguyen, A. Ingramd, V. Kudoyarova. Structuralchanges in doped Ge2Sb2Te5 thin films studied by Raman spectroscopy // Physics Procedia.– 2013. – Vol. 44. – Pp. 82 – 90. http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2013.04.011.7. Х.Ф. Нгуен, С.А. Козюхин, А.Б. Певцов. Влияние висмута на оптическиесвойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 // Физика и техника полупроводников. –2014. – Т.48, вып. 5. – С.

597-603. ISSN 0015-3222.178. Sergey Kozyukhin, Alexey Sherchenkov, Alexey Babich, Petr Lazarenko, Huy PhucNguyen, Oleg Prikhodko. Peculiarities of Bi Doping of Ge-Sb-Te Thin Films for PCMDevices // Canadian Journal of Physics. – 2014. – Vol. 92. – Pp. 684-689. doi: 10.1139/cjp2013-0607.Материалы конференций:9. Нгуен Х.Ф., С.А. Козюхин Оптические константы аморфных пленок Ge2Sb2Te5,легированных Bi и In. Тезисы докладов VII международной конференции «Аморфныеи микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2010, с.

72-73.10. Kozyukhin S.A., Sherchenkov A.A., Lazarenko P., Nguyen H.P. Influence of dopingon the properties of Ge-Sb-Te phase change material. The 5th International ConferenceAmorphous and Nanostructured Chalcogenides. Fundamentals and Applications, Bucharest,Romania, 2011, p. 22.11. Kozyukhin S.A., Veres M., Nguyen H.P. Raman scattering in amorphous thin filmsGe2Sb2Te5 doped with indium, tin and bismuth.

The 18th International Symposium on NonOxide and New Optical Glasses ISNOG, Saint-Malo, France, 2012, p. 277.12. Нгуен Х.Ф. Оптические свойства материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5,легированного висмутом. Тезисы докладов VI Всероссийской школы-семинарастудентов, аспирантов и молодых учѐных по направлению «Диагностикананоматериалов и наностуктур», Рязань, 2013, с. 107-111.13. Козюхин С.А., Нгуен Х.Ф., Вереш М., Кудоярова В.Х. Оптические свойстватонких пленок Ge2Sb2Te5 и влияние на них легирующих примесей. Тезисы докладовIXмеждународнойконференции«Аморфныеимикрокристаллическиеполупроводники», Санкт-Петербург, 2014, c. 193-194.Цитируемая литература1.