Активное исследование материала GeSbTe связано с возможностью создания многоуровневых энергонезависимых элементов для быстродействующих интегрально-оптических функциональных схем. Принцип многоуровневой записи в данных устройствах основан на формировании областей в тонких пленках GeSbTe с частичной кристаллизацией и существенно различающимися оптическими свойствами. Для прогнозирования параметров инициирующего фазовые превращения воздействия и надежного обеспечения обратимого перехода между множеством логических состояний необходима достоверная информация об оптических характеристиках тонких пленок GeSbTe в состояниях с разной степенью кристалличности и условиях их получения. В работе исследовано влияние фазового состояния пленок GeSbTe на коэффициент экстинкции и показатель преломления, изучено изменение значений оптической ширины запрещенной зоны в зависимости от температуры термообработки. Образцы тонких пленок GeSbTe исследованы методами атомно-силовой микроскопии, рентгенофазового анализа и энергодисперсионного микроанализа для определения их толщины, морфологии, фазового состояния и состава. С помощью метода спектральной эллипсометрии получены спектры эллипсометрических углов ψ и Δ (амплитудной и фазовой составляющих световой волны) и определены значения коэффициента экстинкции и показателя преломления. Рассмотрено влияние слоевых и математических моделей на расчет дисперсий оптических параметров пленок GeSbTe. Установлено существенное увеличение значений коэффициента экстинкции и показателя преломления на длине волны излучения 1550 нм при термообработке выше 200 °С. Показано, что оптическая ширина запрещенной зоны тонких пленок GeSbTe в аморфном состоянии равна 0,71 эВ, а в кристаллическом - 0,47 эВ. Выяснено, что зависимости показателя преломления, коэффициента экстинкции и оптической ширины запрещенной зоны от степени кристалличности пленок GeSbTe близки к линейным.
-
Ключевые слова:
многоуровневые устройства, нанофотоника, фазовая память, тонкие пленки, GeSbTe, эллипсометрия, показатель преломления, коэффициент экстинкции, оптическая ширина запрещенной зоны, кристаллизация, степень кристалличности, multilevel devices, nanophotonics
-
Опубликовано в разделе:
Mатериалы электроники
-
Библиографическая ссылка:
Влияние степени кристалличности на дисперсию оптических параметров тонких пленок фазовой памяти Ge2Sb2Te5 / М.Е. Федянина, П.И. Лазаренко, Ю.В. Воробьев и др. // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 203–218. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-203-218
1. 3D Cross-point phase change memory for storage-class memory / H.-Yu Cheng, F. Carta, W.C. Chien et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. Vol. 52. No. 47. P. 473002-1–473002-89.
2. Intel and micron produce breakthrough memory technology: URL: https://newsroom.intel.com/news-releases/intel-and-micron-produce-breakthrough-memory-technology/#gs.vjlolb (дата обращения 10.02.2020).
3. Isothermal and CW laser crystallization of amorphous Ge2Sb2Te5 thin films / S. Kozyukhin, Yu. Vorobyov, P. Lazarenko et al. // Non-Crystalline Solids. 2018. Vol. 480. P. 51–56.
4. Electro-optical switch using Ge2Sb2Te5 phase-change material in a silicon MZI structure / H. Zhang, L. Zhou, L. Lu et al. // Conf. on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim. Optical Society of America. 2017. P. s1972.
5. Device-level photonic memories and logic applications using phase-change materials / Z. Cheng,
C. Rios, N. Youngblood et al. // Adv. Mater. 2018. Vol. 30. No. 32. P. 1802435-1–1802435-8.
6. Integrated 256 cell photonic phase-change memory with 512-bit capacity / J. Feldmann, N. Youngblood, X. Li et al. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2019. Vol. 26. No. 2. P. 1–7.
7. Toward fast neural computing using all-photonic phase change spiking neurons / I. Chakraborty,
G. Saha, A. Sengupta et al. // Scientific reports. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 1–9.
8. Effect of heating rate on the activation energy for crystallization of amorphous ge2sb2te5 thin film / Y. Choi, M. Jung, Y.-K. Leez // Electrochem. Solid-State Lett. 2009. Vol. 12. No. 7. P. 17–19.
9. Fast and reliable storage using a 5 bit, nonvolatile photonic memory cell / X. Li, N. Youngblood, C. Rios et al. // Optica. 2019. Vol. 6. No. 1. P. 1–6.
10. Structural transition and enhanced phase transition properties of Se doped Ge2Sb2Te5 alloys / E.M. Vinod, K. Ramesh, K.S. Sangunni // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P. 8050-1–8050-7.
11. Improved thermal and electrical properties of Al-doped Ge2Sb2Te5 films for phase-change random access memory / G. Wang, X. Shen, Q. Nie. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. Vol. 45. No. 37. P. 375302-1–375302-6.
12. Особенности определения оптической ширины запрещенной зоны тонких пленок материалов фазовой памяти / П.И. Лазаренко, Ю.В. Воробьев, М.Е. Федянина и др. // Перспективные материалы. 2019. № 10. С. 14–25.
13. Optical constants acquisition and phase change properties of Ge2Sb2Te5 thin films based on spectroscopy / Z. Xu, C. Chen, Z. Wang et al. // RSC Adv. 2018. Vol. 8. P. 21040–21046.
14. Redaelli An. Phase change memory. Device physics, reliability and applications. Springer, 2018. 342 p.
15. Effect of indium doping on Ge2Sb2Te5 thin films for phase-change optical storage / K.Wang, C. Steimer, D.Wamwangi et al. // Appl. Phys. A. 2005. Vol. 80. P. 1611–1616.
16. Ge-Sb-Te thin films deposited by pulsed laser: An ellipsometry and Raman scattering spectroscopy study / P. Nemec, A. Moreac, V. Nazabal et al. // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 106. P. 103509-1–103509-7.
17. Thermo-optical effect in phase-change nanophotonics / Matthias Stegmaier, Carlos Rios, Harish Bhaskaran et al. // ACS Photonics. 2016. Vol. 3. P. 828−835.
18. Optical properties of (GeTe, Sb2Te3) pseudobinary thin films studied with spectroscopic ellipsometry / J.-W. Park, S.Ho Baek, T.D. Kang et al. / Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. P. 021914-1–021914-3.
19. Wuttig M., Bhaskaran H., Taubner T. Phase-change materials for non-volatile photonic applications // Nature photonics. 2017. Vol 11. P. 465–476.
20. Mechanism of the isotermic amorphous-to-crystalline phase transition in Ge:Sb:Te ternary alloys / J. Gonzalez-Hernandez, E.F. Prokhorov, Yu.V. Vorobiev et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2001. Vol. 19. No. 4. P. 1623–1629.
21. Нгуен Х.Ф., Козюхин С.А., Певцов А.Б. Влияние висмута на оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 5. С. 597–603.
22. Jellison G.E., Modine F.A. Parameterization of the optical functions of amorphous materials in the interband region // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 69. P. 371–373.
23. Analytical model for the optical functions of amorphous semiconductors from the near-infrared to ultraviolet: Applications in thin film photovoltaics / A.S. Ferlauto, G.M. Ferreira, J.M. Pearce et al. // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 92. P. 2424–2434.
24. Comparison of methods to determine bandgaps of ultrathin HfO2 films using spectroscopic ellipsometry / M. Di, Er. Bersch, Al. C. Diebold et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2011. Vol. 29. P. 041001-1–041001-8.
25. Effect of tin ion implantation on the properties of amorphous Ge2Sb2Te5 thin films / D.N. Seleznev,
A.L. Sitnikov, A.V. Kozlov et al. // RUPAC. 2018. P. 230–232.
26. Oxygen incorporation into GST phase-change memory matrix / R. Golovchak, Y.G. Choi, S. Kozyukhin et al. // Applied Surface Science. 2015. Vol. 332. P. 533–541.
27. Influence of Bi doping upon the phase change characteristics of Ge2Sb2Te5 / K. Wang, D. Wamwangi, S. Ziegler et al. // Citation: Journal of Applied Physics. 2004. Vol. 96. No. 10. P. 5557–5562.
28. Mehta N., Kumar A. Studies of crystallization kinetics in a-Se80–xTe20Cdx and a-Se80–xTe20Gex alloys using D.C. conductivity measurements // J. Therm. Anal. Calorim. 2006. Vol. 83. No. 3. P. 669–673.
29. Muchira I.W., Njoroge W.K., Karimi P.M. Crystallization kinetics of In40Se60 thin films for phase change random access memory (PRAM) applications // Journal of Ovonic Research. 2015 Vol. 11. No. 3. P. 131–136.