Особенности структуры модифицированных висмутом пленок Ge2Sb2Te5

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5

С.А. Дюсембаев, Н.Ж. Алмасов,О.Ю.Приходько, Ж.К. Толепов

С.Я Максимова, А.Ю. Сазонов, А.Е. Базаркулова, К. Турманова

НИИЭТФ КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследования структуры методами просвечивающей электронной микроскопии и рамановской спектроскопии модифицированных висмутом пленок Ge2Sb2Te5, полученных путем ионно-плазменного высокочастотного распыления. Установленно, что рамановские спектры модифицированных пленок Ge2Sb2Te5, полученных вышеназванным методом, имеют качественную схожесть, со спектрами пленок, полученных другими методами, но в то же время присутствуют существенные различия. В частности, наблюдаются значительные смещения положений и соотношений между интенсивностями пиков. Полученные экспериментальные данные могут быть объяснены изоморфным замещением атомов Sb висмутом в пирамидальном SbTe3.

Ключевые слова

Flash память, структура, просвечивающая электронная микроскопия, рамановская спектроскопия, Ge2Sb2Te5, модифицирование

Введение

В настоящее время основным полупроводниковым материалом, используемым в устройствах памяти типа Flash является кремний. Однако процессы записи и стирания информации, реализуемыев подобных устройствах памятиимеет ряд технологических проблем. Альтернативными Siполупроводниковыми материалами, которые могут быть использованы для создания устройств Flash памятиявляются халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП). Работа flash устройства на базе данных материалов может быть реализована на основе эффектов переключения и памяти, при которых халькогенидный стеклообразный полупроводник за очень малое время испытывает фазовое превращение «кристалл-стекло». Быстрые фазовые превращения могут обеспечить высокую скоростьсчитывания и записи информации. Также к преимуществам данных эффектов в ХСП можно отнести большое количество циклов перезаписи (до 109)без деградации материала и высокую плотность записи информации, что увеличит срок службы и емкость устройства памяти. Однако структурные исследования фазовых превращений, лежащих в основе электронных процессов и определяющих природу эффектов переключения и памяти, изучены недостаточно.

На сегодняшний день широко изучаемым различными исследовательскими группами составомдля разработки Flash памяти является ХСП Ge2Sb2Te5[2-5]. Для улучшения характеристик фазовых превращений материалы фазовой памяти легируются различными металлами. В работах и было установлено, что для пленок Ge2Sb2Te5, полученных методом термического испарения в вакууме, введение висмута приводит к значительному уменьшению их времени кристаллизации и заметному изменению в спектре комбинационного рассеяния по сравнению с нелегированным Ge2Sb2Te5.

Из литературы известно, что структура и свойства пленок ХСП существенно зависят от способа их приготовления.

В связи этим, цель данной работы заключалась в исследовании структуры чистых и модифицированных висмутом пленок Ge2Sb2Te5, полученных методом ионно-плазменного высокочастотного распыления, и сопоставлении результатов исследования с данными, имеющимися в литературе для пленок, синтезированных иными методами.

электронный микроскопия висмут пленка

Методика эксперимента

Приготовление пленок Ge2Sb2Te5 осуществлялось на установке ВУП-4М методом ионно-плазменного высокочастотного распыления мишени. Распыляемая мишень представляла собой поликристаллический состав, синтезированный из элементов полупроводниковой степени чистоты (99,999%).

Для получения модифицированных пленок Ge2Sb2Te5 использовалась комбинированная мишень. Процесс распыления проводился по следующей схеме.

В камеру, где происходит распыление вещества, по достижении рабочего вакуума ~3,5·10-3 Па, подавался инертный газ аргон. После установления постоянного давления ~1 Па, от ВЧ генератора через согласующее устройство на катод подавалось высокочастотное напряжение с частотой 13,56±0,14 МГц и зажигалась плазма. Амплитуда высокочастотного напряжения составляла 350 В. В качестве подложек использовалось кварцевое стекло. Перед напылением образцов подложки подвергались химической и термической обработке.

Элементный состав полученных пленок контролировался методом энерго-дисперсионного анализа на сканирующем электронном микроскопе Quanta 3D 200i. Детектирование исследуемых пленок производилось под воздействием пучка электронов с энергией до 30 кэВ. На рис.1а, б соответственно приведены энергетические спектры чистых и модифицированных примесью висмутапленок Ge2Sb2Te5. Данные элементного состава пленок приведены в таблице 1.

а б

Рисунок 1 - Энергетические спектрычистых (а) и модифицированных примесью висмута (б) пленок Ge2Sb2Te5

Таблица 1. Элементный составпленок Ge2Sb2Te5 (а) и пленок Ge2Sb2Te5,модифицированных примесью висмута (б)

а б

Примечание: Wt% - весовой процент; At% - атомный процент

Как видно из таблицы, отличие элементного состава пленок формульного соотношения не превышало ±1,5 ат. %. В модифицированной Bi пленке по сравнению с чистой пленкой атомовGeбольше на 1,46 ат. %, атомов Sb меньше на 1,21 ат. %, а атомовTe меньше на 1,07ат. %.

Исследования структуры пленок осуществлялись на просвечивающем электронном микроскопеFEITitan G2. Пленки Ge2Sb2Te5 имели аморфную структуру, в отличие от пленок с висмутом, структура которых была поликристаллическая (рисунок 2).

а б

Рисунок 2 - Просвечивающая электронная микроскопия чистых (а) и модифицированных примесью висмута (б) пленок Ge2Sb2Te5

Рамановские спектры регистрировались при комнатной температуре на спектрометрической установке RenishawRamascope, оснащенной конфокальным микроскопом с 50-ти кратным увеличением. Источником возбуждения служил He-Neлазер с длиной волны излучения 633 нм, диаметр пятна составлял 3 мкм. Погрешность определения волновых чисел не превышала ± 1 см-1.

Результаты и обсуждение

На рисунке 3приведены рамановские спектры пленок Ge2Sb2Te5. При регистрации спектров 1 и 2 мощность лазера составляла соответственно 1 % и 10 % от максимальной мощности. Спектр под номером 1 соответствует аморфному состоянию, а спектр под номером 2 - типичен для поликристаллического состояния пленок.

Рисунок 3- Рамановские спектры пленок Ge2Sb2Te5

Как видно из рисунка, спектр под номером 1 имеет два пика. Первый пик расположен при 123 см-1, второй - в интервале от 141 до 147 см-1. Второй спектр имеет ярко выраженные два пикапри122 см-1 и 140 см-1, которые существенно отличаются интенсивностями. Изменения в положении и соотношении интенсивностей пиков, происходящие при увеличении мощности лазера, связаны, по-видимому, с переходом материала исследуемого образца из аморфного состояния в поликристаллическое с гексагональной структурой [11]. В результате этого, в поликристаллическом состоянии увеличивается длина связи Ge-Te. Подобные изменения в рамановских спектрах, связанные с фазовыми переходами исследуемых образцов, полученным термическим испарением в вакууме, наблюдались в [12-15].Авторы работ связывают наличие первого пика, лежащего в интервале длин волн от 110 до 145 см-1,с колебаниями гетерополярной связи в тетраэдрическом образовании типа GeTe4 и пирамидальном образовании SbTe3.Наличие второго пика в диапазоне от 145 до 160 см-1обусловлено колебаниями связей Sb?Sb в комплексе (Te2)Sb(Te2), в котором атомы Sb соединены с четырьмя атомами Te.

В работе [16] приводятся результаты рамановской спектроскопии тонких аморфных и поликристаллических пленок, а также пленок Ge2Sb2Te5 со сложной структурой, полученных эпитаксиальным осаждением.Для всех пленок рамановские спектры с пиками большой интенсивности обнаруживают качественное сходство в широкой полосе частот от 2 ТГц до 6 Тгц. При этом авторы предполагают, что пик, лежащий на частоте3,6 ТГц, связан с колебаниями связей тетраэдров GeTe4в аморфной пленке Ge2Sb2Te5. Пик, лежащий в диапазоне более низких частот 3,2 и 3,4 Тгцв поликристаллических и эпитаксиальных пленках связывается с колебаниями в октаэдрах GeTe6. Высокочастотная часть спектра от 4,3 до 4,7 ТГц сопоставляется с колебаниями связей Sb-Te, но не исключается возможность вклада колебаний связей Te-Te.

Влияние примеси Biна структуру пленок Ge2Sb2Te5 показано на рис.4. Концентрация примеси составляла 0,8 ат. %. Необходимо отметить, что исследуемые пленки изначально находилась в поликристаллическом состоянии. Из рисунка 4 можно видеть, что в пленках Ge2Sb2Te5с примесью

B первый пик смещается в сторону длинных волн на 7 см-1 и расположен при 115 см-1, а второй - смещается незначительно, и расположен при 135 см-1.

А Б

Рисунок 4 - Рамановские спектры поликристаллических пленок Ge2Sb2Te5(а) и Ge2Sb2Te5Bi (б)

Известно, что висмут является изоморфным элементом по отношению к теллуру. Кроме этого, в работе [17] для аморфных пленок (Ge2Sb2Te5)99.5Bi0.5, полученных термическим испарением в вакууме, наблюдались изменения в рамановских спектрах по отношению к спектрам чистых пленок. В то время как, для аморфных пленок (Ge2Sb2Te5)98.9Bi1.1 и (Ge2Sb2Te5)97.3Bi2.8 подобных изменений не наблюдалось. Это свидетельствует о том, что при увеличении концентрации примеси в пленке, атомы висмута могут занимать позиции в междоузлиях решетки в виде примеси внедрения, либо замещать атомы германия.

Исследования, проведенные нами для пленок Ge2Sb2Te5Bi, корреллируют с вышеуказанными данными. Исходя из вышеприведенных данных, смещение первого пика, может быть объяснено изоморфным замещением атомов Sb в пирамидальном SbTe3висмутом, поскольку процесс замещения атомов германия представляется энергетически не выгодным и менее вероятным.

Таким образом, из сопоставления рамановских спектров пленок Ge2Sb2Te5, полученных разными методами, можно заключить, что спектры имеют качественную схожесть, но в то же время присутствуют существенные различия. В частности, наблюдаются значительные смещения положений и соотношений между интенсивностями пиков.

Литература

1. Fei Wang. Non-volatile memory devices based on chalcogenide materials.Conference: Sixth International Conference on Information Technology: New Generations, ITNG 2009, Las Vegas, Nevada, 27-29 April 2009.

2. J. Lee, Z. Li, J. P. Reifenberg, M. Asheghi, and K. E. Goodson,J. Appl.Phys.109, 084902 (2011).

3. J.-L. Battaglia, A. Kusiak, V. Schick, A. Cappella, C. Wiemer, M. Longo,and E. Varesi, J. Appl. Phys.107, 044314 (2010).

4. R. E. Simpson, M. Krbal, P. Fons, A. V. Kolobov, J. Tominaga, T. Uruga, and H. Tanida, Nano Lett.10 414-419 (2010).

5. H. K. Peng, K. Cil, A. Gokirmak, G. Bakan, Y. Zhu, C. S. Lai, C. H.Lam, and H. Silva, Thin Solid Films 520, 30123 (2011).

6. T.-J. Park, S.-Y. Choi, M.-J. Kang. Thin Sol. Films, 515, 5049(2007).

7. K. Wang, D. Wamwangi, S. Ziegler, C. Steimer, M. Wuttig, J. Appl. Phys., 96, 5557 (2004).

8. S.A. Kozyukhin, M. Veres, H.P. Nguyen, A. Ingram, V. Kudoyarova, Phys. Procedia, 44, 82 (2013).

9. S. Kozyukhin, V. Kudoyarova, H.P. Nguyen, A. Smirnov, V. Lebedev, Physica Status Solidi C, 8 (9), 2688 (2011).

10. Zhou Yua, Chuanpeng Yana, Tao Huanga, Wen Huanga, Yong Yana, YanxiaZhanga, LianLiua, Yong Zhanga, Yong Zhao, Applied Surface Science 258(13), p.5222-5229 (2012).

11. C. H. Chu, C. D. Shiue, H. W. Cheng, M. L. Tseng, H. P. Chiang, M. Mansuripur, D. P. Tsai

Optics Express 18(17), 18383-18393 (2010).

12. L. Bo, S. Zhi-Tang, Z. Ting, F. Song-Lin, C. Bomy. Chin. Phys.,13 (11), 1947 (2004).

16. A. Shalini, Y. Liu, F. Katmis, W. Braun, G. P. Srivastava, and R. J. Hicken, J. Appl. Phys. 117, 025306 (2015).

17. S. Kozyukhin, M. Veresb, H. P. Nguyena,c, A. Ingramd, V. Kudoyarova, Physics Procedia 44 82 - 90 (2013) .

Размещено на Allbest.ur