ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2022.238.228-242isplta-129Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ. БИОТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGY OF WOOD. BIO TECHNOLOGYИсследование эффекта памяти в тонких пленках аморфных халькогенидных полупроводников состава GST225Study of memory effect in amorphous chalcogenide semiconductor GST225 thin filmshttps://orcid.org/0000-0002-8815-4113ФефеловС. А.FefelovS. A.

ФЕФЕЛОВ Сергей Аркадьевич – ведущий инженер

194021, ул. Политехническая, д. 26, Санкт-Петербург

FEFELOV Sergey A. – lead engineer

194021. 26 Politekhnicheskaya. St. Petersburg

s.fefelov@list.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3818-7459КазаковаЛ. П.KazakovaL. P.

КАЗАКОВА Людмила Павловна – доцент кафедры физики, кандидат физико-математических наук, доцент

194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

KAZAKOVA Lyudmila P. – PhD (Physics), Assistant Professor of the Department of Physics

194021. Institutsky per. 5. St. Petersburg

ljudakaz@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2265-0245БогословскийН. А.BogoslovskiyN. A.

БОГОСЛОВСКИЙ Никита Александрович – научный сотрудник, кандидат физико-математических наук

194021, ул. Политехническая, д.26, Санкт-Петербург

BOGOSLOVSKIY Nikita A. – PhD (Physics), research fellow

194021. 26 Politekhnicheskaya. St. Petersburg

nikitabogoslovskiy@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7845-9629БылевА. Б.BylevA. B.

БЫЛЕВ Александр Борисович – заведующий кафедрой физики, кандидат физико-математических наук, доцент

194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

BYLEV Aleksandr B. – PhD (Physics), Head of the Department of Physics

194021. Institutsky per. 5. St. Petersburg

ab_bylev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0633-7216АнненковаА. М.AnnenkovaA. M.

АННЕНКОВА Александра Михайловна – доцент кафедры физики, кандидат физико-математических наук, доцент

194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

ANNENKOVA Aleksandra M. – PhD (Physics), Assistant Professor of the Department of Physics

194021. Institutsky per. 5. St. Petersburg

annenkovaaly@mail.ruФизико-технический институт имени А.Ф. ИоффеРоссияIoffe instituteRussian FederationСанкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. КироваРоссияSt.Petersburg State Forest Technical UniversityRussian FederationФизико-технический институт имени А.Ф. ИоффеРоссияIoffe institute, St. PetersburgRussian Federation2022220220240238228242Copyright © Фефелов С.А., Казакова Л.П., Богословский Н.А., Былев А.Б., Анненкова А.М., 20242024Фефелов С.А., Казакова Л.П., Богословский Н.А., Былев А.Б., Анненкова А.М.Fefelov S.A., Kazakova L.P., Bogoslovskiy N.A., Bylev A.B., Annenkova A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/129

Проведено исследование эффекта памяти в тонких пленках халькогенидных полупроводников состава GST225 путем пропускания через пленку последовательности треугольных импульсов тока с нарастающей амплитудой. Начальное состояние вещества пленки аморфное. Были получены синхронные осциллограммы импульса тока через образец и напряжения на нем в режиме заданного тока. По ним построены вольт-амперные характеристики. Характерными особенностями, наблюдаемыми на некоторых ВАХ, являются скачки напряжения и участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После пропускания импульса тока самой большой амплитуды ВАХ образца становится почти омической. Анализ всех ВАХ позволяет предположить, что формирование памяти, по-видимому, происходит поэтапно с постепенной кристаллизацией вещества пленки по толщине в зависимости от величины пропускаемого импульса тока. Этот возможный сценарий обсуждается здесь только качественно. Скачки напряжения, по-видимому, могут при определенных условиях объясняться особенностями процесса кристаллизации («взрывной» кристаллизацией), находящегося в аморфном состоянии вещества пленки, причем кристаллизация инициируется сильным электрическим полем. Принимая также во внимание, что при инжекции тока в пленку, когда она находится в состоянии с низкой проводимостью, по-видимому, образуется пространственный заряд, и может иметь место неоднородное распределение поля по толщине пленки. Можно допустить, что кристаллизация начинается у одного из электродов, где поле имеет наибольшую величину. «Взрывная» кристаллизация аморфного вещества затухает, когда поле вблизи границы области кристаллизации оказывается недостаточным для ее поддержания. После того, как часть пленки по толщине закристаллизовалась таким способом и условия для взрывной кристаллизации далее не выполняются, дальнейшая кристаллизация может быть обусловлена электронно-тепловыми механизмами. Что касается участков ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то их, по-видимому, можно связать с эффектом переключения, присущим аморфным халькогенидным полупроводникам.

We explored phase change memory phenomena in thin film of chalcogenide-glass semiconductors GST225 by passing through the film a sequence of triangular current impulses with increasing amplitude. Initially the film was in amorphous state. We took simultaneous oscilloscope pictures of the voltage across the thin-film “sandwich” type sample and the current passing through the above unit as a function of time. Then we got the current-voltage characteristics of the unit done. Distinctive features observed on some of the oscilloscope pictures and current-voltage characteristics are places with rapid decrease in voltage and negative differential resistance. After passing current impulse with the biggest amplitude the current-voltage characteristic of the unit is becoming almost ohmic. Analysis of all the current-voltage characteristics obtained allows us to suggest that the memory state formation apparently occurs in stages with gradual crystallization of amorphous substance of the film on thickness depending on amplitude of the triangular current impulses passing through the unit. This possible scenario is discussed here only from qualitative point of view. The rapid decreases in voltage apparently can under certain conditions be explained by peculiarities of crystallization process (“explosive” crystallization) while crystallization itself is initiated by electrical field. Taking also into account that under injection of current, when the film is in poorly conducting state, a space charge appears to form and as consequence a nonuniform distribution of field on thickness of the film can arise we can assume that crystallization starts at one of electrodes where the field is the biggest. “Explosive” crystallization of amorphous substance dies down when the field near the front of crystallization turns out to be not enough for holding it. After a part of the film is crystallized such a way and conditions for “explosive” crystallization are not more fulfilled the further crystallization can run by heating. As to a part of current-voltage characteristic with negative differential resistance they apparently are connected with switching phenomena that is characteristic of amorphous chalcogenide semiconductors.

халькогенидные полупроводникифазовая памятьchalcogenide semiconductorsphase change memoryReferencesБогословский Н.А., Цэндин К.Д. Физика эффекта переключения и памяти в халькогенидных стеклообразных полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. Вып. 5. С. 577–608.Bogoslovskij N.A., Tsendin K.D. Electronic–thermal switching and memory in chalcogenide glassy semiconductors. Journal of Non-Crystalline Solids, 2011, vol. 357, pp. 992–995.Волков А.Ф., Коган Ш.М. Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью // Успехи физических наук. 1968. Т. 96. Вып. 4. С. 633– 672.Bogoslovskiy N.A., Tsendin K.D. Multiphonon tunnel ionization of negative-U centers – the origin of switching and memory effects in chalcogenide glasses. Journal of optoelectronics and advanced materials, 2011, vol. 13, no. 11–12, pp. 1423–1428.Глухенькая В.Б., Ромашкин А. В., Якубов А.О., Лазаренко П.И., Шерченков А.А., Козюхин С.А. Локальные структурные перестроения в тонких пленках Ge2Sb2Te5 в процессе термической кристаллизации // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сб. тр. Междунар. конф., Санкт-Петербург, 05–07 июля 2021. СПб.: Политех-Пресс, 2021. С. 73–74.Bogoslovskiy N.A., Tsendin K.D. Fizika effekta pereklucheniya i pamyati v khalkogenidnykh stekloobraznykh poluprovodnikakh. Fizika I tekhnika poluprovodnikov, 2012, vol. 46, no. 5, pp. 577–608. (In Russ.)Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразными полупроводниками // Радиотехника и электроника. 1963. Т. 8. С. 2097–2098.Fefelov S.A., Kazakova L.P., Kozyukhin S.A., Tsendin K.D., Arsova D., Pamukchieva V. Osobennosti volt-ampernykh kharakteristik v tonkikh plenkakh sostava Ge2Sb2Te5 pri ispolzovanii izmeritelnoi tsepi s istochnikom toka. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2014, vol. 84, no. 4, pp. 80 – 84. (In Russ.)Фефелов С.А., Казакова Л.П., Козюхин С.А., Цэндин К.Д., Арсова Д., Памукчиева В. Особенности вольт-амперных характеристик в тонких пленках состава Ge2Sb2Te5 при использовании измерительной цепи с источником тока // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. Вып. 4. С. 80–84.Fefelov S.A., Kazakova L.P., Arsova D., Kozyukhin S.A., Tsendin K.D., Prikhodko O.Yu. Ostsillyatsii napryazheniya pri effekte pereklyuchenia v rezhime tokovoi mody v tonkikh sloyakh khalkogenidov sistemy Ge-Sb-Te. Fizika i tekhnika poluprovodnikov, 2016, vol. 50, no. 7, pp. 958–962. (In Russ.)Фефелов С.А., Казакова Л.П., Арсова Д., Козюхин С.А., Цэндин К.Д., Приходько О.Ю. Осцилляции напряжения при эффекте переключения в режиме токовой моды в тонких слоях халькогенидов системы Ge-Sb-Te // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. Вып. 7. С. 958–962.Glukhenkaya V.B., Romashkin A.V., Yakubov A.O., Lazarenko P.I., Sherchenkov A.A., Kozyukhin S.A. Lokalnye strukturnye perestroeniya v tonkikh plenkakh Ge2Sb2Te5 v protsesse termicheskoi kristallizatsii. Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki / Proceedings of the International conference. Saint-Petersburg (Russia), July, 05–07, 2021. St. Petersburg (Russia):[Politech-Press], 2021, pp. 73–74. (In Russ.)Фефелов С.А., Казакова Л.П., Богословский Н.А., Цэндин К.Д., Оценка температуры шнура тока, возникающего при переключении в халькогенидах системы GeSbTe //Физика и техника полупроводников. 2018. Т. 52. Вып. 12. С. 1503–1506.Kolomiets B.T., Lebedev E.A. Voltampernaya kharakteristika tochechnogo kontakta so stekloobraznymi poluprovodnikami. Radiotekhnika i elektronika, 1963, vol. 8, pp. 2097–2098. (In Russ.)Шерченков А.А., Козюхин С.А., Лазаренко П.И., Бабич А.В., Богословский Н.А., Сагунова И.В., Редичев Е.Н. Электрофизические свойства и механизмы переноса в тонких пленках материалов фазовой памяти на основе халькогенидных полупроводников квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3 // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. Вып. 2. С. 154–160.Lampert M.A., Mark P. Current injection in Solids. New York: Academic Press, 1970.Шерченков А.А., Козюхин С.А., Боргардт Н.И., Лазаренко П.И., Бабич А.В., Якубов А.О., Терехов Д.Ю., Зыбина Ю.С. Влияние метода осаждения на свойства тонких пленок материалов фазовой памяти //Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сб. тр. Междунар. конф., Санкт-Петербург, 19–21 ноября 2018. СПб.: Политех-Пресс, 2018. С. 83–84.Nardone M., Simon M., Karpov I. V., Karpov V. G. Electrical conduction in chalcogenide glasses of phase change memory. J. Appl. Phys., 2012, no. 112, 071101Шкловский В.А., Кузьменко В.М. Взрывная кристаллизация аморфных веществ // Успехи физических наук. 1989. Т. 157. Вып. 2. С. 311–338.Ovshinsky R.S. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures. Phys. Rev. Lett., 1968, vol. 21, pp. 1450–1453.Якубов А.О., Шерченков А.А., Бабич А.В., Лазаренко П.И., Терехов Д.Ю. Изучение особенностей кинетики кристаллизации тонких пленок материалов фазовой памяти по результатам измерений температурных зависимостей удельных сопротивлений // Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сб. тр. Междунар. конф., Санкт-Петербург, 19–21 ноября 2018. СПб.: Политех-Пресс, 2018. С. 96–97.Raoux S., Welnic W., Ielmini D. Phase change materials and their application to nonvolatile memories. Chem. Rev., 2009, vol. 110, no. 1, pp. 240–267.Bogoslovskij N.A., Tsendin K.D. Electronic–thermal switching and memory in chalcogenide glassy semiconductors // Journal of Non-Crystalline Solids. 2011. Vol. 357. P. 992–995.Sherchenkov A.A., Kozyukhin S. A., Borgardt N.I., Lazarenko P.I., Babich A.V., Yakubov A.O., Trekhov D.Yu., Zybina Yu.S. Vliyanie metoda osazhdeniya na svoistva tonkikh plenok materialov fazovoi pamyati. Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki / Proceedings of the International conference. Saint-Petersburg (Russia), November, 19–21, 2018. St. Petersburg (Russia):[Politech-Press], 2018, pp. 83–84. (In Russ.)Bogoslovskiy N.A., Tsendin K.D. Multiphonon tunnel ionization of negative-U centers – the origin of switching and memory effects in chalcogenide glasses // Journal of optoelectronics and advanced materials. 2011. Vol. 13, no. 11–12. P. 1423–1428.Sherchenkov A.A., Kozyukhin S. A., Lazarenko P.I., Babich A.V., Bogoslowsky N.A., Sagunova I. V., Redichev E.N. Elektrofizicheskie svoistva i mekhanizmy perenosa v tonkikh plenkakh materialov fazovoi pamyati na osnove khalkogenidnykh poluprovodnikov kvazibinarnogo razreza GeTe-Sb2Te3. Fizika I tekhnika poluprovodnikov, 2017, vol. 51, no. 2, pp. 154–160. (In Russ.)Lampert M.A., Mark P. Current injection in Solids. Academic Press. New York, 1970.Shklovskii V.A., Kuzmenko V.M. Vzryvnaya krisstalizatsiya amorfnykh vetshestv. Uspekhi fizicheskikh nauk, 1989,vol. 157, no. 2, pp. 311–338. (In Russ.)Nardone M., Simon M., Karpov I. V., Karpov V. G. Electrical conduction in chalcogenide glasses of phase change memory // J.Appl.Phys. 2012. No. 112. 071101.Volkov A.F., Kogan S.M. Fizicheskie yavleniya v poluprovodnikakh s otritsatelnoi differentsialnoi provodimostyu. Uspekhi fizicheskikh nauk, 1968, vol. 96, no. 4, pp. 633–672. (In Russ.)Ovshinsky R.S. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures // Phys. Rev. Lett. 1968. Vol. 21. P. 1450–1453.Yakubov A.O., Sherchenkov A.A., Babich A.V., Lazarenko P.I., Trekhov D.Yu. Izuchenie osobennostei kinetiki kristallizatsii tonkikh plenok materialov fazovoi pamyati po resultatam izmerenii temperaturnykh zavisimostei udelnykh soprotivlenii. Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki / Proceedings of the International conference. Saint-Petersburg (Russia), November, 19 – 21, 2018. St. Petersburg (Russia):[Politech-Press], 2018, pp. 96–97. (In Russ.)Raoux S., Welnic W., Ielmini D. Phase change materials and their application to nonvolatile memories // Chem. Rev. 2009. Vol. 110, no. 1. P. 240–267.Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K., Akahira N., Takao M. Rapid-phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory. J.Appl.Phys, 1991, vol. 69, no. 5, pp. 2849–2856.Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K., Akahira N., Takao M. Rapid-phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory // J.Appl.Phys. 1991. Vol. 69, no. 5. P. 2849–2856.Yamada N., Ohno E., Nishiuchi K., Akahira N., Takao M. Rapid-phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory // J.Appl.Phys. 1991. Vol. 69, no. 5. P. 2849–2856.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.