Кристаллизация аморфных Ge2Sb2Te5

Ранее мы исследовали стабильные позиции примеси, сравнивая полные энергии между вероятными местами в c-GST. Для того, чтобы непосредственно определить позиции примеси в C-GST, мы выполняем моделирование отжига легированных a-GST, ожидая перекристаллизации в c-GST.

мы используем решетку из 72 атомов, включая одну SiGe, N⅛, Oj из примесей в элементарную ячейку. При такой относительно небольшой элементарной ячейке, максимальное время моделирования, что возможно с имеющимися вычислительными ресурсами только 1 нс, что на порядок меньше, чем типичное время кристаллизации GST. В работе [56] показано, что сжатие a-GST ускоряет процесс кристаллизации. Используя эту идею, мы изотропно уменьшили объем аморфного GST на 6% и отжигали при температуре 650К (чуть ниже температуры плавления) около 400 пс. Затем происходило охлаждение со скоростью -15 К/пс до температуры 300 К и полной релаксации при 0 К. На рисунке 2.7а показана общая энергия за исключением кинетической энергии ионов. В начале координат установлено значение энергии для каждого из легированных с-GST при 0 К.

Рис. 2.7. Динамика кристаллизации легированных a-GST: (а) временное изменение внутренней энергии a-GST относительно времени отжига. Температура отжига выбрана 650 К; (б) окончательная структура N-легированного GST после отжига. Дефектный атом Ge указан стрелкой; (в) окончательный состав Si- легированного GST. Атом Si отмечен пунктирной окружностью.

В то время как внутренняя энергия N- легированного GST значительно падает при 130πc, для Si- и О- легированных a-GST изменяется незаметно Конечная установившаяся структура N-легированного GST на рисунке 2.76 подтверждает, что кристаллизация закончена.

Легирующей примеси N в кристаллическом GST связан с тремя атомами Ge и одним атомом Sb длинами связей 2,02 и 2,39A соответственно (рис. 2.76). Среди них, два из трех атомов Ge были соединены в начальной аморфной структуре, и они не разрушаются во время процесса рекристаллизации. Атом Ge, указанный стрелкой на рисунке 2.76 не является совместимым по типу строения атомной решетки и вносит значительные деформации решетки вокруг примеси Более конкретно, дефектный атом Ge вращается кристаллографической ориентацией соседних атомов Те, которые можно рассматривать как примитивные формы границы зерна. C другой стороны, соседние атомы Si (три атома Те и один атом Sb) отличаются от соседей в исходной аморфной фазе, и они связаны в процессе отжига.

Мы провели обширные неэмпирические вычисления кристаллических и аморфных структур GST легированного атомами Si, N, О с целью объяснить выраженное воздействие легирующих примесей на атомном уровне. В кристаллической фазе наиболее благоприятное место для si-легирования это SiGe, в то время как N и О примеси замещают атомы Те из-за сильных связей Ge-N или Ge-O Тем не менее, сравнение параметров решетки с экспериментом показывает, что интерстициальные примеси должны существовать в значительных количествах. Анализ на плотности состояний указывает, что локализация в верхней валентной зоне увеличивается на N- или О-легированных c-GST, что увеличивает сопротивление p-типа c-GST. Аморфные структуры легированных GST были получены моделированием охлаждения расплава. Было обнаружено, что для каждой примеси формируется предпочтительная связь, например Si-Те, Ge-N, и Ge-O В частности, местные структуры связей вокруг атомов азота или кислорода хорошо объясняются на основе кристаллических структур Ge3N4 и GeO2. Это похоже на кристаллическую фазу, но локальная геометрия связей является более благоприятной в аморфной фазе, благодаря которой проявляется повышенная устойчивость легированных a-GST. Анализ локальных структур опроверг точку зрения, что характер связи значительно изменяется на ковалентный. Легирующие примеси N повысили ковалентной характер Ge, но это было компенсировано увеличением металлической природы атомов Те. Мы также проводили моделирование отжига a-GST и атомная структура перекристаллизовывалась в N-легированном GST и была близка к Nj примеси в C- GST.

Рекомендуется легирование не менее 5 ат. %. Это обусловлено тем, что при более низкой концентрации легирующей примеси (от 1,4 ат. % до 5ат. %) не оказывается влияние на параметры кристаллизации. При концентрациях близких к 5 ат. % атомы примеси занимают І - места в кристаллической решетке и оказывают максимальное влияние на свойства материала При дальнейшем увеличении концентрации примеси характеристики материала не изменяются или изменяются крайне незначительно.

2.2.