GeSbTe - GeSbTe
GeSbTe ( germanyum-antimon- tellüryum veya GST ), yeniden yazılabilir optik disklerde ve faz değişimli bellek uygulamalarında kullanılan kalkojenit camlar grubundan bir faz değiştiren malzemedir . Yeniden kristalleşme süresi 20 nanosaniye olup, 35 Mbit /s'ye kadar bit hızlarının yazılmasına ve 106 döngüye kadar doğrudan üzerine yazma kabiliyetine izin verir . Land-groove kayıt formatları için uygundur. Genellikle yeniden yazılabilir DVD'lerde kullanılır . N-katkılı GeSbTe yarı iletken kullanılarak yeni faz değişim bellekleri mümkündür . Erime noktası arasında alaşımı , 600 ° C (900 K) ilgili ve kristalleşme sıcaklığı 100 ve 150 ° C arasındadır.
Yazma sırasında malzeme silinir, düşük yoğunluklu lazer ışınlaması ile kristal durumuna başlatılır . Malzeme kristalleşme sıcaklığına kadar ısınır, ancak erime noktasına değil ve kristalleşir. Bilgi, kristal fazda, kısa (<10 ns), yüksek yoğunluklu lazer darbeleriyle noktaları ısıtılarak yazılır ; malzeme lokal olarak erir ve hızla soğutulur, amorf fazda kalır . Amorf faz, kristal fazdan daha düşük yansıtıcılığa sahip olduğundan, veriler kristalin arka plan üzerinde koyu noktalar olarak kaydedilebilir. Son zamanlarda, yeni sıvı organogermanyum gibi ön-, isobutylgermane (IBGE) ve tetrakis (dimetilamino) konu ile ilgili (TDMAGe) geliştirildi ve bağlantılı olarak kullanılmıştır metalorganics arasında antimon ve tellür , tris-dimetilamino antimon (TDMASb) ve di-izopropil telurid, (DIPTe), metalorganik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) ile çok yüksek saflıkta GeSbTe ve diğer kalkojenit filmlerini büyütmek için . Dimetilamino germanyum triklorür (DMAGeC) ayrıca klorür içeren ve MOCVD tarafından Ge biriktirme için üstün bir dimetilaminogermanyum öncüsü olarak rapor edilir.
Malzeme özellikleri
GeSbTe bir üçlü bileşiktir germanyum , antimon ve tellür bileşim Gete-Sb ile, 2 Te 3 . GeSbTe sisteminde, alaşımların çoğunun üzerinde bulunduğu gösterildiği gibi bir yalancı çizgi vardır. Bu sözde çizgiden aşağı doğru gidildiğinde, Sb 2 Te 3'ten GeTe'ye gidildikçe malzemelerin erime noktası ve camsı geçiş sıcaklığının arttığı, kristalleşme hızının düştüğü ve veri tutmanın arttığı görülebilir . Bu nedenle yüksek veri aktarım hızı elde etmek için Sb 2 Te 3 gibi hızlı kristalleşme hızına sahip malzemeler kullanmamız gerekmektedir . Bu malzeme düşük aktivasyon enerjisi nedeniyle kararlı değildir. Öte yandan, GeTe gibi amorf kararlılığı iyi olan malzemeler, yüksek aktivasyon enerjisi nedeniyle yavaş kristalleşme hızına sahiptir. Kararlı durumunda, kristal GeSbTe'nin iki olası konfigürasyonu vardır: altıgen ve yarı kararlı yüz merkezli kübik (FCC) kafes. Ancak hızla kristalleştiğinde çarpık bir kaya tuzu yapısına sahip olduğu görülmüştür . GeSbTe, yaklaşık 100 °C'lik bir cam geçiş sıcaklığına sahiptir. GeSbTe ayrıca kafeste, spesifik GeSbTe bileşiğine bağlı olarak %20 ila %25 arasında birçok boşluk kusuruna sahiptir . Bu nedenle Te, GeSbTe'nin birçok özelliği için önemli olan fazladan bir yalnız elektron çiftine sahiptir. Kristal kusurları GeSbTe de yaygındır ve nedeniyle, bu kusurlar için bir Urbach kuyruk olarak bant yapısı bu bileşikler oluşturulur. GeSbTe genellikle p tipidir ve bant aralığında alıcı ve verici benzeri tuzakları hesaba katan birçok elektronik durum vardır . GeSbTe, kristal ve amorf olmak üzere iki kararlı duruma sahiptir. Nano-zaman ölçeğinde yüksek dirençli amorf fazdan düşük dirençli kristal faza faz değişim mekanizması ve eşik geçişi, GeSbTe'nin en önemli özelliklerinden ikisidir.
Faz değişim belleğindeki uygulamalar
Faz değişim belleğini bir bellek olarak yararlı kılan benzersiz özellik, ısıtıldığında veya soğutulduğunda, kararlı amorf ve kristal haller arasında geçiş yaparak, tersine çevrilebilir bir faz değişikliği gerçekleştirme yeteneğidir. Bu alaşımlar amorf durumda '0'da yüksek dirence sahiptir ve kristal halinde '1' durumunda yarı metallerdir . Amorf durumda, atomlar kısa menzilli atomik düzene ve düşük serbest elektron yoğunluğuna sahiptir. Alaşım ayrıca yüksek direnç ve aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu, onu düşük özdirenç ve aktivasyon enerjisine, uzun menzilli atomik düzene ve yüksek serbest elektron yoğunluğuna sahip kristal halden ayırır. Faz değiştirme belleğinde kullanıldığında, malzemenin erime noktasına ulaşması ve hızla söndürülmesi için kısa, yüksek genlikli bir elektrik darbesinin kullanılması, malzemeyi kristal fazdan amorf faza değiştirir, yaygın olarak RESET akımı olarak adlandırılır ve nispeten daha uzun, düşük malzemenin sadece kristalleşme noktasına ulaşmasını ve amorftan kristale faz değişimine izin vermek için kristalleşmeye zaman verilmesini sağlayacak genlikli elektrik darbesi SET akımı olarak bilinir.
İlk cihazlar yavaştı, güç tüketiyordu ve büyük akımlar nedeniyle kolayca bozuldu. Bu nedenle SRAM ve flash bellek devraldığı için başarılı olamadı . Ancak 1980'lerde germanyum-antimon-tellüryumun (GeSbTe) keşfi, faz değişim belleğinin artık daha az zamana ve işlev görmesine ihtiyaç duyduğu anlamına geliyordu. Bu, yeniden yazılabilir optik diskin başarısıyla sonuçlandı ve faz değişim belleğine yeni bir ilgi yarattı. Litografideki ilerlemeler, aynı zamanda, faz değiştiren GeSbTe'nin hacmi azaldıkça, önceden aşırı programlama akımının artık çok daha küçük hale geldiği anlamına geliyordu.
Faz değişimli bellek, uçucu olmama , hızlı geçiş hızı, 10 13'ten fazla okuma-yazma döngüsüne sahip yüksek dayanıklılık, tahribatsız okuma, doğrudan üzerine yazma ve 10 yıldan fazla uzun veri saklama süresi gibi birçok ideale yakın bellek özelliklerine sahiptir. Onu manyetik rastgele erişimli bellek (MRAM) gibi diğer yeni nesil kalıcı bellekten ayıran bir avantaj, daha küçük boyutlarla daha iyi performansa sahip olmanın benzersiz ölçekleme avantajıdır. Faz değişim belleğinin ölçeklenebileceği sınır bu nedenle en az 45 nm'ye kadar litografi ile sınırlıdır. Böylece, ticarileştirilebilen ultra yüksek bellek yoğunluklu hücrelere ulaşma konusunda en büyük potansiyeli sunar.
Faz değişim belleği çok umut verici olsa da, ultra yüksek yoğunluğa ulaşıp ticarileştirilmeden önce çözülmesi gereken bazı teknik sorunlar var. Faz değişim belleği için en önemli zorluk , yüksek yoğunluklu entegrasyon için programlama akımını minimum MOS transistör sürücü akımıyla uyumlu seviyeye indirmektir . Şu anda, faz değişim belleğindeki programlama akımı önemli ölçüde yüksektir. Bu yüksek akım , yüksek akım gereksinimleri nedeniyle transistör tarafından sağlanan akım yeterli olmadığından , faz değişimli bellek hücrelerinin bellek yoğunluğunu sınırlar . Bu nedenle, faz değişim belleğinin benzersiz ölçekleme avantajı tam olarak kullanılamaz.
Tipik faz değişimli bellek cihazı tasarımı gösterilmektedir. Üst elektrot, GST, GeSbTe katmanı, BEC, alt elektrot ve dielektrik katmanları içeren katmanlara sahiptir. Programlanabilir hacim, alt elektrot ile temas halinde olan GeSbTe hacmidir. Bu, litografi ile küçültülebilen kısımdır. Cihazın termal zaman sabiti de önemlidir. Termal zaman sabiti, GeSbTe'nin RESET sırasında amorf duruma hızla soğuması için yeterince hızlı, ancak SET durumu sırasında kristalleşmenin gerçekleşmesine izin verecek kadar yavaş olmalıdır. Termal zaman sabiti, hücrenin inşa edildiği tasarıma ve malzemeye bağlıdır. Okumak için cihaza düşük akım darbesi uygulanır. Küçük bir akım malzemenin ısınmamasını sağlar. Depolanan bilgiler cihazın direnci ölçülerek okunur.
Eşik değiştirme
GeSbTe , yaklaşık 56 V/um eşik alanında yüksek dirençli bir durumdan iletken bir duruma geçtiğinde, eşik değiştirme meydana gelir . Bu, eşik voltajına ulaşılana kadar düşük voltajda amorf durumda akımın çok düşük olduğu akım - voltaj (IV) grafiğinden görülebilir . Gerilim geri tepmesinden sonra akım hızla artar . Malzeme şimdi şekilsiz "AÇIK" durumundadır, burada malzeme hala şekilsizdir, ancak sözde kristal elektrik durumundadır. Kristal haldeyken IV karakteristikleri omiktir . Eşik anahtarlamanın elektriksel mi yoksa termal bir süreç mi olduğu konusunda tartışmalar olmuştu . Eşik gerilimde akımdaki üstel artışın, darbe iyonizasyonu veya tünelleme gibi gerilimle katlanarak değişen taşıyıcıların oluşumundan kaynaklanmış olması gerektiğine dair öneriler vardı .
Nano-zaman ölçeğinde faz değişimi
Son zamanlarda, GeSbTe'nin yüksek hızlı faz değişimini açıklamak amacıyla birçok araştırma faz değişim malzemesinin malzeme analizine odaklanmıştır. Kullanma EXAFS , kristalin GeSbTe için en uygun model, çarpık rocksalt kafes olduğu bulunmuştur ve tetrahedral yapı amorf için edildi. Bozulmuş kaya tuzundan tetrahedrale konfigürasyondaki küçük değişiklik, nano-zaman ölçeğinde faz değişiminin, ana kovalent bağlar sağlam olduğu ve sadece daha zayıf bağlar kırıldığı için mümkün olduğunu göstermektedir.
GeSbTe için en olası kristal ve amorf yerel yapıları kullanarak, kristal GeSbTe'nin yoğunluğunun amorf GeSbTe'den %10'dan daha az olması ve hem amorf hem de kristal GeSbTe'nin serbest enerjilerinin aynı büyüklükte olması gerektiği gerçeği, Yoğunluk fonksiyonel teori simülasyonlarından, en kararlı amorf durumun, temel durum enerjisinin tüm olası konfigürasyonların en düşük olduğu yerde, Ge'nin tetrahedral pozisyonları işgal ettiği ve Sb ve Te'nin oktahedral pozisyonları işgal ettiği spinel yapı olduğu varsayıldı . Sayesinde Car-Parrinello moleküler dinamikleri simülasyonları bu varsayım teorik doğrulandı.
Çekirdeklenme baskınlığına karşı büyüme baskınlığı
Bir başka benzer malzeme AgInSbTe'dir . Daha yüksek doğrusal yoğunluk sunar, ancak 1-2 büyüklük sırası daha düşük üzerine yazma döngülerine sahiptir. Yalnızca yivli kayıt formatlarında, genellikle yeniden yazılabilir CD'lerde kullanılır . AgInSbTe, büyümenin baskın olduğu bir malzeme olarak bilinirken, GeSbTe, çekirdeklenmenin baskın olduğu bir malzeme olarak bilinir. GeSbTe'de, kristalleşmenin çekirdeklenme süreci, çok sayıda küçük kristalin bir araya geldiği kısa bir büyüme sürecinden önce birçok küçük kristalin çekirdeğin oluşmasıyla uzundur. AgInSbTe'de, çekirdeklenme aşamasında oluşan sadece birkaç çekirdek vardır ve bu çekirdekler, daha uzun büyüme aşamasında, sonunda bir kristal oluşturacak şekilde büyürler.