Для создания элементов памяти нового поколения представляют интерес эпитаксиальные слои GeSbTe (GST) с высоким кристаллическим совершенством, а также многослойные кристаллические структуры на основе сверхрешеток GeTe/SbTe, выращенные на кремниевых подложках. Это инициирует изучение закономерностей формирования подобных материалов, в том числе с применением метода молекулярно-пучковой эпитаксии. В работе исследована структура тонкого эпитаксиального слоя (толщиной 13 нм) GST, используемого для создания ячеек памяти на основе изменения фазового состояния вещества. Слои выращены на пассивированной сурьмой подложке Si(111) методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Исследования проведены методами просвечивающей электронной микроскопии и электронографического анализа с применением образцов поперечного и планарного сечений. Получены высокоразрешающие изображения образцов поперечного сечения, а также дифракционные картины от тонкой фольги планарного сечения и ее светлопольные микрофотографии. Выявлено, что слой состоит из кристаллически совершенных зерен в основном гексагональной фазы, а в некоторых локальных областях - из упорядоченной кубической фазы GST, базисные плоскости которой параллельны поверхности подложки. На основе количественного анализа муарового узора, возникающего на светлопольных электронно-микроскопических изображениях, установлено, что зерна, для которых плоскости GST( ) и Si(220) развернуты относительно друг друга вокруг направления роста в пределах 2°, занимают около 60 % площади поверхности эпитаксиального слоя, 26 % приходится на практически неразвернутые зерна. Доля площади зерен, разориентированных относительно подложки на углы от 2 до 8º, близка к 33 %, а на угол более 8º развернуты зерна, занимающие около 7 % площади слоя. Средний угол разворота равен примерно 2,6°. Средний оценочный размер неразвернутых зерен составляет около 150 нм и уменьшается по мере роста угла разворота относительно подложки. Выявленные закономерности зернистой структуры эпитаксиального слоя GST свидетельствуют об ориентирующем влиянии подложки Si(111) на его формирование.
-
Ключевые слова:
фазовая память, система Ge-Sb-Te, эпитаксиальный слой, подложка Si(111), просвечивающая электронная микроскопия, электронографический анализ
-
Информация о финансировании:
работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (тема АААА-А20-120071490069-9, соглашение № 075-03-2020-216, код 0719-2020-0018) с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и модификация микроструктур и нанообъектов».
-
Для цитирования:
Электронно-микроскопические исследования структуры тонкого эпитаксиального слоя Ge2Sb2Te5, выращенного на подложке Si(111) / Ю.С. Зайцева, Н.И. Боргардт, А.С. Приходько и др. // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 3-4. С. 214–225. DOI: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2021-26-3-4-214-225
1. Redaelli A. Phase change memory: Device physics, reliability and applications. Cham: Springer International Publishing AG, 2018. XVIII, 330 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-69053-7
2. Lotnyk A., Behrens M., Rauschenbach B. Phase change thin films for non-volatile memory applications // Nanoscale Advances. 2019. Vol. 1. No. 10. P. 3836–3857. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NA00366E
3. Interfacial phase-change memory / R.E. Simpson, P. Fons, A.V. Kolobov et al. // Nature Nanotechnology. 2011. Vol. 6. No. 8. P. 501–505. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2011.96
4. Boschker J.E., Calarco R. Growth of crystalline phase change materials by physical deposition methods // Advances in Physics: X. 2017. Vol. 2. No. 3. P. 675–694. DOI: https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1346483
5. In situ observations of the reversible vacancy ordering process in Van der Waals-bonded Ge-Sb-Te thin films and GeTe-Sb2Te3 superlattices / A. Lotnyk, T. Dankwort, I. Hilmi et al. // Nanoscale. 2019. Vol. 11. P. 10838–10845. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NR02112D
6. Elswijk H.B., Dijkkamp D., van Loenen E.J. Geometric and electronic structure of Sb on Si(111) by scanning tunneling microscopy // Physical Review B. 1991. Vol. 44. Issue 8. P. 3802–3809. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.3802
7. Tailoring the epitaxy of Sb2Te3 and GeTe thin films using surface passivation / J. Momand, J.E. Boschker, R. Wang et al. // CrystEngComm. 2018. Vol. 20. Iss. 3. P. 340–347. DOI: https://doi.org/10.1039/C7CE01825H
8. Toward truly single crystalline GeTe films: the relevance of the substrate surface / R. Wang, J.E. Boschker, E. Bruyer et al. // Journal of Physical Chemistry C. 2014. Vol. 118. No. 51. P. 29724–29730. DOI: https://doi.org/10.1021/jp507183f
9. Surface reconstruction-induced coincidence lattice formation between two-dimensionally bonded materials and a three-dimensionally bonded substrate / J.E. Boschker, J. Momand, V. Bragaglia et al. // Nano Letters. 2014. Vol. 14. No. 6. P. 3534–3538. DOI: https://doi.org/10.1021/nl5011492
10. Epitaxial Ge2Sb2Te5 films on Si(111) prepared by pulsed laser deposition / I. Hilmi, E. Thelnader, P. Schumacher et al. // Thin Solid Films. 2016. Vol. 619. P. 81–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.10.028
11. Nakaoka T., Satoh H., Honjo S., Takeuchi H. First-sharp diffraction peaks in amorphous GeTe and Ge2Sb2Te5 films prepared by vacuum-thermal deposition // AIP Advances. 2012. Vol. 2. P. 042189. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4773329
12. Pulsed laser deposited GeTe-rich GeTe-Sb2Te3 thin films / M. Bouška, S. Pechev, Q. Simon et al. // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. No. 1. P. 26552. DOI: https://doi.org/10.1038/srep26552
13. Author correction: Modulation of Van der Waals and classical epitaxy induced by strain at the Si step edges in GeSbTe alloys / E. Zallo, S. Cecchi, J.E. Boschker et al. // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 1–2.
14. Research update: Van-der-Waals epitaxy of layered chalcogenide Sb2Te3 thin films grown by pulsed laser deposition / I. Hilmi, A. Lotnyk, J.W. Gerlach et al. // APL Materials. 2017. Vol. 5. Iss. 5. P. 050701. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4983403
15. Sosso G.C., Caravati S., Mazzarello R., Bernasconi M. Raman spectra of cubic and amorphous Ge2Sb2Te5 from first principle // Physical Review B. 2011. Vol. 83. Iss. 13. P. 134201. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.134201
16. Evolution of low-frequency vibrational modes in ultrathin GeSbTe films / E. Zallo, D. Dragoni, Y. Zaytseva et al. // Physica Status Solidi (RRL). 2021. Vol. 15. Iss. 3. P. 2000434. DOI: https://doi.org/10.1002/pssr.202170014
17. Epitaxial formation of cubic and trigonal Ge-Sb-Te thin films with heterogeneous vacancy structures / I. Hilmi, A. Lotnyk, J.W. Gerlach et al. // Materials and Design. 2017. Vol. 115. P. 138–146. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.003
18. Surface energy driven cubic-to-hexagonal grain growth of Ge2Sb2Te5 thin film / Y. Zheng, Y. Cheng, R. Huang et al. // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. No. 1. P. 5915. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-06426-2
19. Robust topological surface states in Sb2Te3 layers as seen from the weak antilocalization effect / Y. Takagaki, A. Giussani, K. Perumal et al. // Physical Review B. 2012. Vol. 86. No. 12. P. 125137. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.125137
20. Andrieu S. Sb adsorption on Si<111> analyzed by ellipsometry and reflection high-energy electron diffraction: Consequences for Sb doping in Si molecular-beam epitaxy // Journal of Applied Physics. 1991. Vol. 69. No. 3. P. 1366–1370. DOI: https://doi.org/10.1063/1.347274
21. Mayer J., Giannuzzi L.A., Kamino T., Michael J. TEM sample preparation and FIB-induced damage // MRS Bulletin. 2007. Vol. 32. Iss. 5. P. 400–407. DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2007.63
22. Role of vacancies in metal–insulator transitions of crystalline phase-change materials / W. Zhang, A. Thiess, P. Zalden et al. // Nature Materials. 2012. Vol. 11. P. 952–956. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat3456
23. STEM_CELL // (Quantum) e-Optics and TEM GROUP: [Web] / CNRNANO. URL: http://tem-s3.nano.cnr.it/?page_id=2 (accessed: 08.04.2020).
24. Grillo V., Rotunno E. STEM_CELL: A software tool for electron microscopy: Part 1: Simulations // Ultramicroscopy. 2013. Vol. 125. P. 97–111. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2012.10.016
25. Williams D.B., Carter C.B. Transmission electron microscopy. A textbook for materials science. New York: Springer US, 2009. LXII, 775 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-76501-3