Энергонезависимая память на основе ХСП

Наиболее ислледуемым в настоящее время является энергонезависимая память на основе ХСП И здесь исследователи выделяют ХСП состава GST 225 и GST 124

Исследование возможностей создания энергонезависимой памяти на ХСП проводится с 1987 года.

В результате многочисленных исследований [23, 38, 39] было доказано, что наиболее быстрое переключение PCM показывают простая кубическая решетка (рис. 1.9) или структура типа искаженная «каменная соль» (рис. 1.10), в которой часто наличествует случайное расположение узлов решетки атомов, составляющих сплава.

Рис. 1.8. Стадии исследования ХСП для создания элементов ЭГ1

Кристалл GST-225 образуется при-140°С, в зависимости от скорости нагрева. Атомы Те занимают одну вакансию в подрешетке, a Ge, Sb, и занимают относительно большое количество оставшихся вакансий (-20%) подрешетки.

При температуре 310 ⁰C, формируется более стабильная гексагональная решетка.

Функциональная область в ячейках энергонезависимой памяти с ХСП средой может находиться в различных фазовых состояниях. В процессе перезаписи информации она может быть как в твердом, так и в размягченном состояниях, в процессе хранения информации она может быть в кристаллическом (поликристаллическом) или стеклообразном (аморфном) состоянии. Переход из одного состояния в другое осуществляется импульсами тока, обеспечивающими определенный режим разогрева или охлаждения рабочей области.

В связи с этим в данной работе особое внимание уделено рассмотрению обратимых фазовых переходов расплав - стекло - кристалл и методов их моделирования. Подробно рассмотрены особенности фазовых переходов в халькогенидных стеклообразных материалах, приведены примеры фазовых диаграмм соединений наиболее перспективных для применения устройствах памяти.

Рис.

Для применения в устройствах энергонезависимой памяти с обратимыми фазовыми переходами жидкость - стекло - кристалл требуются материалы со сравнительно невысокими энергиями фазовых переходов и соответственно низкими температурами стеклования [40]. В поисках оптимальных составов были исследованы как двухкомпонентные, так трехкомпонентные (рис. 11) и четырехкомпонентные системы на основе халькогенидов Ge, Те, Sb, Se и пр. При выборе системы, пригодной в качестве запоминающей среды, одно из основных условий заключалось в том, чтобы кристаллическая фаза обладала низким сопротивлением.

C этой точки зрения наиболее интересными оказались составы на основе GST. Для этих материалов при переходе из стеклообразного в кристаллическое (поликристаллическое; состояние электропроводность изменяется более чем на четыре порядка, что следует считать вполне приемлемым для энергонезависимых ячеек памяти.

Однако помимо наличия проводящей поликристаллической фазы для устройств памяти чрезвычайно важным параметром является скорость перехода из стеклообразного в поликристаллическое состояние, поскольку именно этот параметр, в конечном счете, определяет быстродействие ячейки, и, соответственно, всего устройства. Причем, если скоростью плавления поликристаллического шнура можно управлять, изменяя мощность импульса стирания, то скорость кристаллизации определяется, в основном, физико- химическими свойствами материала. Было обнаружено, что для многокомпонентных систем эта скорость выше, чем для систем с простым составом. Кроме того, эта скорость тем выше, чем ниже температура размягчения стекла; кроме того, скорость перехода из разупорядоченного в упорядоченное состояние наиболее высокая в материалах, отвечающих псевдобинарным составам

Рис.

(Rocksalt), шпинель (Spinel), халкопирит (chalcopyrite), искаженный шпинель (distorted spinel), искаженная «каменная соль» (distoreed rocksalt)

На стабильность параметров запоминающих элементов значительное влияние может оказывать структурная релаксация. Величина и скорость структурной релаксации в значительной степени зависят от предыстории образца [41]. Отмечено, что структурную релаксацию можно связать с необратимым уменьшением дефектных конфигураций и соответственным уменьшением избыточного свободного объема. Уменьшение дефектных конфигураций в процессе релаксации должно проявляться в изменении электрофизических свойств материала, и при температуре концентрация замороженных

дефектов должна достигать равновесного значения. При этом соответственно должны стабилизироваться и свойства материала.

Неоднократно учеными был рассмотрен вопрос о влиянии сильных электрических полей на электронные свойства ХСП. Отмечены недостатки модели пробоя ХСП, основанной на механизме умножения носителей путем ударной ионизации [42] Потому в настоящее время ведутся разработки механизма пробоя (например, основанного на рекомбинации с участием возбужденных близнецовых пар, не требующий разгона свободных электронов до высоких энергий) позволяющего объяснить наблюдающиеся в действительности аномальные температурные зависимости [43, 44].

На основании результатов анализа представленных данных, можно сделать вывод о том, что физико-математические модели, достаточно полно описывающие основные стадии функционирования запоминающих ячеек на основе ХСП и пригодные для численного моделирования их характеристик, отсутствуют [45, 46]. Имеющихся в публикациях данных недостаточно для понимания электронных процессов, происходящих в ХСП в сильных электрических полях, и приводящих к электрическому пробою халькогенидных стеклообразных полупроводников.

Кроме того, отсутствует сколько либо значима информация по вопросу реакции центров возбуждения и формирования фазовых переходов на температурные изменения. Для этого необходимо разработать валидные модели.

Нелинейность вольт-амперной характеристики (BAX) неупорядоченных полупроводников в сильном поле обуславливается наличием (/-минус центров [33, 47]. Однако гипотеза о связи с многофононной туннельной ионизацией центров требует проверки.

1.4.