GeSbTe ( германий-сурьма-теллур или GST ) — это материал с фазовым переходом из группы халькогенидных стекол, используемый в перезаписываемых оптических дисках и приложениях с фазовым переходом . Время его перекристаллизации составляет 20 наносекунд, что позволяет записывать битрейты до 35 Мбит /с и возможность прямой перезаписи до 106 циклов . Подходит для форматов записи land-groove. Часто используется в перезаписываемых DVD . Новые запоминающие устройства с фазовым переходом возможны с использованием n-легированного полупроводника GeSbTe . Температура плавления сплава составляет около 600 °C (900 K), а температура кристаллизации — от 100 до 150 °C.
Во время записи материал стирается, инициализируется в кристаллическом состоянии с помощью низкоинтенсивного лазерного облучения. Материал нагревается до температуры кристаллизации, но не до температуры плавления, и кристаллизуется. Информация записывается в кристаллической фазе путем нагревания ее пятен короткими (<10 нс) высокоинтенсивными лазерными импульсами ; материал плавится локально 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 прекурсоры, такие как изобутилгерман [1] [2] [3] (IBGe) и тетракис(диметиламино)герман [4] [5] (TDMAGe), которые использовались в сочетании с металлоорганическими соединениями сурьмы и теллура , такими как трис-диметиламиносурьма (TDMASb) и диизопропилтеллурид (DIPTe) соответственно, для выращивания GeSbTe и других халькогенидных пленок очень высокой чистоты методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD). Диметиламиногерманийтрихлорид [6] (DMAGeC) также сообщается как содержащий хлорид и превосходный диметиламиногерманиевый прекурсор для осаждения Ge методом MOCVD.
GeSbTe — это тройное соединение германия , сурьмы и теллура с составом GeTe-Sb 2 Te 3 . В системе GeSbTe, как показано, есть псевдолиния, на которой лежит большинство сплавов. Двигаясь вниз по этой псевдолинии, можно увидеть, что по мере перехода от Sb 2 Te 3 к GeTe температура плавления и температура стеклования материалов увеличиваются, скорость кристаллизации уменьшается, а сохранение данных увеличивается. Следовательно, для того, чтобы получить высокую скорость передачи данных, нам нужно использовать материал с быстрой скоростью кристаллизации, такой как Sb 2 Te 3 . Этот материал нестабилен из-за его низкой энергии активации. С другой стороны, материалы с хорошей аморфной стабильностью, такие как GeTe, имеют медленную скорость кристаллизации из-за его высокой энергии активации. В своем стабильном состоянии кристаллический GeSbTe имеет две возможные конфигурации: гексагональную и метастабильную гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Однако при быстрой кристаллизации было обнаружено, что он имеет искаженную структуру каменной соли . Температура стеклования GeSbTe составляет около 100 °C. [7] GeSbTe также имеет много дефектов вакансий в решетке, от 20 до 25% в зависимости от конкретного соединения GeSbTe. Следовательно, Te имеет дополнительную неподеленную пару электронов, которые важны для многих характеристик GeSbTe. Кристаллические дефекты также распространены в GeSbTe, и из-за этих дефектов в этих соединениях образуется хвост Урбаха в зонной структуре . GeSbTe, как правило, имеет p-тип , и в запрещенной зоне имеется много электронных состояний, учитывающих ловушки типа акцепторов и доноров. GeSbTe имеет два стабильных состояния: кристаллическое и аморфное. Механизм изменения фазы от аморфной фазы с высоким сопротивлением к кристаллической фазе с низким сопротивлением в наномасштабе времени и пороговое переключение являются двумя наиболее важными характеристиками GeSbTe.
Уникальной характеристикой, которая делает память с изменением фазы полезной в качестве памяти, является способность осуществлять обратимое изменение фазы при нагревании или охлаждении, переключаясь между стабильными аморфным и кристаллическим состояниями. Эти сплавы имеют высокое сопротивление 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 имеет высокое удельное сопротивление и энергию активации. Это отличает его от кристаллического состояния, имеющего низкое удельное сопротивление и энергию активации, дальний атомный порядок и высокую плотность свободных электронов. При использовании в памяти с изменением фазы использование короткого электрического импульса высокой амплитуды, так что материал достигает точки плавления и быстро охлаждается, переводя материал из кристаллической фазы в аморфную, широко называется током RESET, а использование относительно более длинного электрического импульса низкой амплитуды, так что материал достигает только точки кристаллизации и имеет время для кристаллизации, позволяя фазовому переходу из аморфного в кристаллическое состояние, известно как ток SET.
Первые устройства были медленными, потребляли много энергии и легко выходили из строя из-за больших токов. Поэтому они не имели успеха, поскольку SRAM и флэш-память взяли верх. Однако в 1980-х годах открытие германия-сурьмы-теллура (GeSbTe) означало, что память с изменением фазы теперь требовала меньше времени и энергии для работы. Это привело к успеху перезаписываемого оптического диска и возобновило интерес к памяти с изменением фазы. Достижения в области литографии также привели к тому, что ранее чрезмерный ток программирования теперь стал намного меньше, поскольку объем GeSbTe, который изменяет фазу, уменьшился.
Фазовая память обладает многими почти идеальными качествами памяти, такими как энергонезависимость , быстрая скорость переключения, высокая выносливость более 10 13 циклов чтения-записи, неразрушающее чтение, прямая перезапись и длительное время хранения данных более 10 лет. Единственное преимущество, которое отличает ее 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. Предел, до которого может быть масштабирована фазовая память, таким образом, ограничен литографией по крайней мере до 45 нм. Таким образом, она предлагает самый большой потенциал для достижения ячеек сверхвысокой плотности памяти, которые могут быть коммерциализированы.
Хотя память с изменением фазы обещает много, все еще есть определенные технические проблемы, которые необходимо решить, прежде чем она сможет достичь сверхвысокой плотности и выйти на рынок. Самая важная задача для памяти с изменением фазы — снизить программный ток до уровня, совместимого с минимальным током управления МОП- транзистором для интеграции высокой плотности. В настоящее время программный ток 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 высокой потребности в токе. Следовательно, уникальное преимущество масштабирования памяти с изменением фазы не может быть полностью использовано.
Показана типичная конструкция устройства памяти с изменением фазы. Оно имеет слои, включая верхний электрод, GST, слой GeSbTe, BEC, нижний электрод и диэлектрические слои. Программируемый объем — это объем GeSbTe, который находится в контакте с нижним электродом. Это часть, которую можно уменьшить с помощью литографии. Тепловая постоянная времени устройства также важна. Тепловая постоянная времени должна быть достаточно быстрой, чтобы GeSbTe быстро остывал в аморфное состояние во время RESET, но достаточно медленной, чтобы позволить кристаллизации произойти во время состояния SET. Тепловая постоянная времени зависит от конструкции и материала, из которого изготовлена ячейка. Для считывания на устройство подается слабый импульс тока. Небольшой ток гарантирует, что материал не нагреется. Сохраненная информация считывается путем измерения сопротивления устройства.
Пороговое переключение происходит, когда GeSbTe переходит из состояния с высоким сопротивлением в состояние проводимости при пороговом поле около 56 В/мкм. [8] Это можно увидеть из графика ток - напряжение (IV), где ток очень мал 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», где материал все еще аморфен, но в псевдокристаллическом электрическом состоянии. В кристаллическом состоянии IV-характеристики являются омическими . Были дебаты о том, является ли пороговое переключение электрическим или термическим процессом. Были предположения, что экспоненциальное увеличение тока при пороговом напряжении должно быть связано с генерацией носителей, которые экспоненциально изменяются с напряжением, например, ударной ионизацией или туннелированием . [9]
В последнее время многие исследования были сосредоточены на анализе материалов фазового перехода в попытке объяснить высокоскоростной фазовый переход GeSbTe. Используя EXAFS , было обнаружено, что наиболее подходящей моделью для кристаллического GeSbTe является искаженная решетка каменной соли, а для аморфного — тетраэдрическая структура. Небольшое изменение конфигурации от искаженной каменной соли к тетраэдрической предполагает, что фазовый переход в наномасштабе возможен [10], поскольку основные ковалентные связи остаются нетронутыми, и только более слабые связи разрываются.
Используя наиболее возможные кристаллические и аморфные локальные структуры для GeSbTe, тот факт, что плотность кристаллического GeSbTe менее чем на 10% больше, чем аморфного GeSbTe, и тот факт, что свободные энергии как аморфного, так и кристаллического GeSbTe должны быть примерно одинаковой величины, было выдвинуто предположение из моделирования теории функционала плотности [11] , 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 эта гипотеза была теоретически подтверждена. [12]
Другим похожим материалом является AgInSbTe . Он обеспечивает более высокую линейную плотность, но имеет более низкие циклы перезаписи на 1-2 порядка. Он используется в форматах записи только в канавки, часто в 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 кристаллизации длительный, при этом образуется множество мелких кристаллических зародышей перед коротким процессом роста, в котором многочисленные мелкие кристаллы соединяются. В AgInSbTe на стадии зародышеобразования образуется всего несколько зародышей, и эти зародыши увеличиваются на более длительной стадии роста, так что в конечном итоге они образуют один кристалл. [13]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )