GeSbTe - GeSbTe
GeSbTe ( германий-сурьма-теллур или GST ) представляет собой материал с фазовым переходом из группы халькогенидных стекол, используемых в перезаписываемых оптических дисках и в приложениях памяти с фазовым переходом . Время рекристаллизации составляет 20 наносекунд, что позволяет записывать битрейты до 35 Мбит / с и выполнять прямую перезапись до 10 6 циклов. Он подходит для форматов записи с канавкой. Он часто используется в перезаписываемых DVD . Новые запоминающие устройства с фазовым переходом возможны с использованием полупроводника GeSbTe, легированного n- слоем . Точка плавления из сплава составляет около 600 ° C (900 K) , и кристаллизации температура составляет от 100 до 150 ° C.
Во время записи материал стирается, переводится в кристаллическое состояние с помощью низкоинтенсивного лазерного излучения. Материал нагревается до температуры кристаллизации, но не до температуры плавления, и кристаллизуется. Информация записывается в кристаллической фазе путем нагревания ее участков короткими (<10 нс) высокоинтенсивными лазерными импульсами; материал локально плавится и быстро охлаждается, оставаясь в аморфной фазе. Поскольку аморфная фаза имеет более низкую отражательную способность, чем кристаллическая фаза, данные могут быть записаны в виде темных пятен на кристаллическом фоне. Недавно были разработаны новые жидкие германийорганические предшественники, такие как изобутилгерман (IBGe) и тетракис (диметиламино) герман (TDMAGe), которые используются в сочетании с металлоорганическими соединениями сурьмы и теллура , такими как трис-диметиламино-сурьма (TDMASb) и ди-изопропиловый эфир. (DIPTe), соответственно, для выращивания пленок GeSbTe и других халькогенидов очень высокой чистоты путем химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Трихлорид диметиламиногермания (DMAGeC) также известен как хлоридсодержащий и превосходный предшественник диметиламиногермания для осаждения Ge методом MOCVD.
Свойства материала
GeSbTe представляет собой тройное соединение германия , сурьмы и теллура с составом GeTe-Sb 2 Te 3 . В системе GeSbTe, как показано, есть псевдолинии, на которой лежит большая часть сплавов. Двигаясь вниз по этой псевдолинии, можно увидеть, что по мере перехода от Sb 2 Te 3 к GeTe точка плавления и температура стеклования материалов увеличиваются, скорость кристаллизации уменьшается, а время удержания данных увеличивается. Следовательно, чтобы получить высокую скорость передачи данных, нам необходимо использовать материал с высокой скоростью кристаллизации, такой как Sb 2 Te 3 . Этот материал нестабилен из-за низкой энергии активации. С другой стороны, материалы с хорошей аморфной стабильностью, такие как GeTe, имеют низкую скорость кристаллизации из-за высокой энергии активации. В стабильном состоянии кристаллический GeSbTe имеет две возможные конфигурации: гексагональную и метастабильную гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Однако, когда он быстро кристаллизовался, было обнаружено, что он имеет искаженную структуру каменной соли . GeSbTe имеет температуру стеклования около 100 ° C. GeSbTe также имеет много вакансионных дефектов в решетке, от 20 до 25% в зависимости от конкретного соединения GeSbTe. Следовательно, Te имеет лишнюю неподеленную пару электронов, которые важны для многих характеристик GeSbTe. Кристаллические дефекты также обычны в GeSbTe, и из-за этих дефектов в этих соединениях формируется урбаховский хвост в зонной структуре . GeSbTe, как правило, относится к р-типу, и в запрещенной зоне имеется много электронных состояний, учитывающих акцепторные и донорные ловушки. GeSbTe имеет два стабильных состояния: кристаллическое и аморфное. Механизм фазового перехода от высокоомной аморфной фазы к низкоомной кристаллической фазе в нанометровом масштабе и пороговое переключение являются двумя наиболее важными характеристиками GeSbTe.
Приложения в памяти с изменением фазы
Уникальная характеристика, которая делает память с фазовым переходом полезной в качестве памяти, - это способность осуществлять обратимый фазовый переход при нагревании или охлаждении, переключаясь между стабильным аморфным и кристаллическим состояниями. Эти сплавы обладают высоким сопротивлением в аморфном состоянии «0» и являются полуметаллами в кристаллическом состоянии «1». В аморфном состоянии атомы имеют ближний атомный порядок и низкую плотность свободных электронов. Сплав также обладает высоким удельным сопротивлением и энергией активации. Это отличает его от кристаллического состояния, имеющего низкое сопротивление и энергию активации, дальний атомный порядок и высокую плотность свободных электронов. При использовании в памяти с фазовым переходом использование короткого электрического импульса большой амплитуды, при котором материал достигает точки плавления и быстро гасится, переводит материал из кристаллической фазы в аморфную фазу, широко называется током сброса, а использование относительно более длинного и слабого Амплитуда электрического импульса, при котором материал достигает только точки кристаллизации и дает время для кристаллизации, позволяя фазовый переход от аморфного к кристаллическому, известен как ток SET.
Первые устройства были медленными, потребляли много энергии и легко выходили из строя из-за больших токов. Следовательно, это не удалось, так как SRAM и флэш-память взяли верх. Однако в 1980-х годах открытие германия-сурьмы-теллура (GeSbTe) означало, что память с фазовым переходом теперь требует меньше времени и энергии для функционирования. Это привело к успеху перезаписываемого оптического диска и возродило интерес к памяти с фазовым переходом. Достижения в литографии также означали, что ранее чрезмерный ток программирования теперь стал намного меньше, так как объем GeSbTe, который изменяет фазу, уменьшается.
Память с фазовым переходом имеет много близких к идеальным свойствам памяти, таких как энергонезависимость , быстрая скорость переключения, высокая выносливость, превышающая 10 13 циклов чтения-записи, неразрушающее чтение, прямая перезапись и длительный срок хранения данных более 10 лет. Одно преимущество, которое отличает его от другой энергонезависимой памяти следующего поколения, такой как магнитная память с произвольным доступом (MRAM), - это уникальное преимущество масштабирования, заключающееся в лучшей производительности при меньших размерах. Таким образом, предел, до которого можно масштабировать память с изменением фазы, ограничен литографией, по крайней мере, до 45 нм. Таким образом, он предлагает самый большой потенциал для получения ячеек со сверхвысокой плотностью памяти, которые могут быть коммерциализированы.
Хотя память с фазовым переходом является многообещающей, все еще существуют определенные технические проблемы, которые необходимо решить, прежде чем она сможет достичь сверхвысокой плотности и коммерциализировать. Самая важная задача для памяти с изменением фазы - снизить ток программирования до уровня, совместимого с минимальным током возбуждения МОП- транзистора для интеграции с высокой плотностью. В настоящее время ток программирования в памяти с изменением фазы существенно высок. Этот высокий ток ограничивает плотность памяти ячеек памяти с изменением фазы, поскольку ток, подаваемый транзистором, недостаточен из-за их высоких требований к току. Следовательно, уникальное преимущество масштабируемости памяти с фазовым переходом не может быть полностью использовано.
Показана типичная конструкция устройства памяти с фазовым переходом. Он имеет слои, включая верхний электрод, GST, слой GeSbTe, BEC, нижний электрод и диэлектрические слои. Программируемый объем - это объем GeSbTe, который контактирует с нижним электродом. Это та часть, которую можно уменьшить с помощью литографии. Также важна тепловая постоянная времени устройства. Тепловая постоянная времени должна быть достаточно высокой, чтобы GeSbTe быстро охладился до аморфного состояния во время RESET, но достаточно медленной, чтобы позволить кристаллизации происходить во время SET. Тепловая постоянная времени зависит от конструкции и материала, из которого изготовлена ячейка. Для чтения на устройство подается слаботочный импульс. Небольшой ток гарантирует, что материал не нагревается. Сохраненная информация считывается путем измерения сопротивления устройства.
Пороговое переключение
Пороговое переключение происходит, когда GeSbTe переходит из состояния с высоким сопротивлением в состояние проводимости при пороговом поле около 56 В / мкм. Это можно увидеть на графике " ток - напряжение" (IV), где ток очень низкий в аморфном состоянии при низком напряжении до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение. Ток быстро увеличивается после скачка напряжения . Теперь материал находится в аморфном состоянии «ВКЛ», при этом материал все еще остается аморфным, но в псевдокристаллическом электрическом состоянии. В кристаллическом состоянии ВАХ омическая . Были споры о том, является ли переключение порога электрическим или тепловым процессом. Были предположения, что экспоненциальное увеличение тока при пороговом напряжении должно было быть связано с генерацией носителей, которые экспоненциально изменяются с напряжением, такими как ударная ионизация или туннелирование .
Изменение фазы в нанометровом масштабе
В последнее время большое количество исследований было сосредоточено на материальном анализе материала с фазовым переходом в попытке объяснить высокоскоростной фазовый переход GeSbTe. С помощью EXAFS было обнаружено, что наиболее подходящей моделью для кристаллического GeSbTe является искаженная решетка каменной соли, а для аморфной - тетраэдрическая структура. Небольшое изменение конфигурации от искаженной каменной соли к тетраэдрической предполагает, что фазовое изменение в нанометровом масштабе возможно, поскольку основные ковалентные связи не повреждены, а разрываются только более слабые связи.
Используя наиболее возможные кристаллические и аморфные локальные структуры GeSbTe, тот факт, что плотность кристаллического GeSbTe менее чем на 10% больше, чем у аморфного GeSbTe, и тот факт, что свободная энергия как аморфного, так и кристаллического GeSbTe должна быть примерно одинаковой величины, На основе моделирования теории функционала плотности была выдвинута гипотеза, что наиболее стабильным аморфным состоянием является структура шпинели , где Ge занимает тетраэдрические позиции, а Sb и Te занимают октаэдрические позиции, поскольку энергия основного состояния была самой низкой из всех возможных конфигураций. С помощью моделирования молекулярной динамики Кар-Парринелло это предположение было подтверждено теоретически.
Зарождение-доминирование против роста-доминирования
Другой аналогичный материал - AgInSbTe . Он предлагает более высокую линейную плотность, но имеет меньшее количество циклов перезаписи на 1-2 порядка. Он используется в форматах записи только с грувом, часто на перезаписываемых компакт-дисках . AgInSbTe известен как материал с преобладанием роста, в то время как GeSbTe известен как материал с преобладанием зародышеобразования. В GeSbTe процесс зародышеобразования является продолжительным, когда образуется множество мелких кристаллических зародышей перед коротким процессом роста, когда многочисленные маленькие кристаллы соединяются вместе. В AgInSbTe на стадии зародышеобразования образуется только несколько зародышей, и эти зародыши растут больше на более длительной стадии роста, так что в конечном итоге они образуют один кристалл.