Исследование эффекта памяти в тонких пленках аморфных халькогенидных полупроводников состава GST225

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.

1. Богословский 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.

2. 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.

3. 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.

4. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А. Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразными полупроводниками // Радиотехника и электроника. 1963. Т. 8. С. 2097–2098.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Шкловский В.А., Кузьменко В.М. Взрывная кристаллизация аморфных веществ // Успехи физических наук. 1989. Т. 157. Вып. 2. С. 311–338.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Lampert M.A., Mark P. Current injection in Solids. Academic Press. New York, 1970.

15. 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.

16. Ovshinsky R.S. Reversible electrical switching phenomena in disordered structures // Phys. Rev. Lett. 1968. Vol. 21. P. 1450–1453.

17. 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.

18. 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.