Структура и электронные свойства наноразмерных пленок Ge2Sb2Te5, полученных методом ионно плазменного распыления

УДК 537.311.322

1, 1, 1, 1, 1, 2

(1НИИЭТФ КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан

2МИЭТ, г. Москва, Россия)

sanzhar. *****@***com

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Аннотация.  В работе представлены результаты исследований структуры наноразмерных пленок Ge2Sb2Te5, их температурных зависимостей электропроводности и вольт-амперных характеристик. Пленки толщиной от 25 до 175 нм получались методом ионно-плазменного распыления. По результатам сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследуемых образцов установлено, что их структура является однородной и аморфной. Изучение температурной зависимости электропроводности пленок показало, что с уменьшением толщины пленок величина проводимости уменьшается, а их энергия активации проводимости возрастает. Из исследований вольт-амперных характеристик пленок Ge2Sb2Te5 установлено, что в пленках наблюдается обратимый эффект переключения, обусловленный реверсивным фазовым переходом «аморфное состояние↔поликристаллическое». Пороговое напряжение Uth и время переключения tsw с уменьшением толщины пленок существенно уменьшается.

Таким образом в работе установлено существенное влияние размерного эффекта на электронные свойства пленок Ge2Sb2Te5

Ключевые слова: Наноразмерные пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников, ионно-плазменное распыление, структура, проводимость, эффект переключения.

Введение

Эффект обратимого фазвового перехода из аморфного в кристаллическое состояние (эффект переключения) впервые наблюдался в пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) состава Ti-As-Se(Te) и еще в начале 60-х годах прошлого столетия [1]. Несколько позднее С. Овшинским было предложенно использовать данный эффект для хранения и записи информации и получивший название «эффект переключения и памяти» [2]. Многочисленными исследованиями было установлено, что наиболее перспективным составом ХСП для практического использования записи информации  является состав Ge2Sb2Te5. В настоящее время на основе пленок этого состава выпускаются диски для записи и хранения информации, такие как CD, DVD, DVD-RW, Blue-Ray [3] и успешно разрабатываются устройства типа Flash-памяти на тонких (наноразмерных) пленках с использованием обратимого фазового перехода (Phase Change Random Access Memory).

В настоящее время усилия исследователей направленны на улучшение параметров хранения и записи информации (порогового напряжения Uth и времени переключения tsw) в устройствах типа Flash, зависящих от толщины пленок.

Наноразмерные пленки Ge2Sb2Te5, в основном получают методом термического испарения в вакууме[4], который обладает рядом недостатков: неоднородность распределения компонет по толщине пленок  и не соответсвие компонент стехиометречскому соотношению. В отличие от этого метод ионно-плазменного распыления позволяет практически исключить эти недостатки.

Цель данной работы заключалась в изучении структуры и электронных свойств наноразмерных пленок Ge2Sb2Te5 полученных при помощи метода  ионно-плазменного распыления.

Методика приготовления пленок

Приготовление пленок осуществлялось методом ионно-плазменного магнетронного  распыления монолитной поликристаллической мишени состава Ge2Sb2Te5 c химической чистотой 99.999% фирмы AciAlloys (USA) в атмосфере аргона при давлении 1 Па. Ускоряющее напряжение составляло 400 В, скорость осаждения пленок ≈0.3 нм/с. Пленки осаждались на подложки из кварца и кремния, которые предварительно подвергались химической и термической обработке.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Состав пленок контролировались методом сканирующей электронной микроскопии с использованием энерго-дисперсионного анализа (EDS) на сканирующем электронном микроскопе Quanta 3D 200i. Результаты этих исследований приведены на рисунках 1 и в таблицы 1.

	Таблица 1. Химический состав пленки  Ge2Sb2Te5 (Wt% - весовой процент; At% - атомный процент)
Рисунок 1-  Типичный энерго-дисперсионный спектр характеристического излучения  пленки Ge2Sb2Te5

Из таблицы 1 следует, что исследуемые пленки не содержат неконтролируемых примесей и максимальное отклонение компонент от формульного соотношения не превышает 5 ат.%.

Морфология пленок контролировалась также методом сканируещей электронной микроскопии, а их толщина определялась с использованием атомно-силового и сканирующего электронного микроскопов при сканировании ступеньки и скола структуры: кристаллический Si-пленка Ge2Sb2Te5,.,,и составляла от 25 до 175 нм. Результаты этих исследований приведены на рисунках 2 и 3. Было установлено, что все исследуемые пленки разной толщины характеризуются сплошной и однородной поверхностью.

а)	б)
Рисунок 2 – Микрофотография поверхности пленки (а) и скола структуры Si - пленка Ge2Sb2Te5 (б),  полученные при помощи СЭМ

а)	б)
Рисунок 3– 2D изображение (а) и профиль поверхности структуры: кварцевая подложка - пленка Ge2Sb2Te5,  полученные при помощи АСМ

Структура пленок исследовалась при помощи просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с использованием ПЭМ Titan фирмы Fei при ускоряющем напряжении 300 кВ и токе пучка электронов 2 нА. На рисунке 4 приведены типичная микрофотография и электроннограмма пленки Ge2Sb2Te5. Из рисунка 4 следует, что исследуемая пленка обладает типичной аморфной структурой без кристаллических нанообластей. Отметим, что такая структура была характерной для всех исследуемых пленок разных толщин. 

а)	б)
Рисунок 4 –Микрофотография (а) и электронограмма (б) пленок Ge2Sb2Te5

Температурные зависимости электропроводности пленок Ge2Sb2Te5 исследовались при помощи пикоамперметра Keithley-6485 в интервале температур от 300 до 400 К на постоянном токе при напряженности электрического поля 102 В/см в области линейности вольт-амперной характеристики на образцах с планарным расположением электродов с величиной зазора 100 мкм. Скорость нагрева образцов составляла 2о/мин.

На рисунке 5 показаны температурные зависимости электропроводности  пленок σ(Τ) разной толщины, построенные в координатах lgσ~1/Т. Из рисунка 5 следует, что σ(Τ) пленок разной толщины хорошо описываются экспоненциальным законом σ(Τ)=Сехр(-Eу/кТ).

Рисунок 5 – Температурные зависимости электропроводности пленок Ge2Sb2Te5

Из зависимостей σ(Τ) были определенны основные полупроводниковые параметры пленок: электропроводность при комнатной температуре (300 К) ук, энергия активация электропроводности Eу и предьэкспоненциальным множитель С (таблица 2).

Таблица 1. Зависимость электропроводности пленок ук, предьэкспоненциального множителя С и энергии активации проводимости Eу от толщины пленок

Состав пленки	Толщина, нм	полупроводниковые параметры
ук, (Om·cm)-1 при 300 К	С, (Om·cm)-1	Eу, eV
Ge27Sb22Te50	175	4.84*10-3	1,13*103	0,32
100	2,20*10-4	3,27*102	0,37
30	1.23*10-5	5.32*102	0,46

Из анализа результатов, приведенных в таблице 2, следует, что толщина пленок значительно влияет на их полупроводниковые параметры (размерный эффект): при уменьшении толщины пленок наблюдается уменьшение ук, С и увелечиние Eу. При этом наблюдается корреляция между изменениями толщины пленок, их электропроводностью и энергией активации Eу.

Для определения параметров, характеризующих эффект переключения в пленках Ge2Sb2Te5, исследовались их ВАХ на установке, блок-схема которой представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Блок-схема установки для исследования ВАХ пленок

Исследуемые образцы имели «сэндвич» структуру. Верхним электродом служил прижимной точечный золотой контакт, площадь которого составляла около 10-4 см2, а нижним электродом - сплошная алюминиевая пленка, нанесенная методом термического испарения на стеклянную подложку. На образцы подавалось пилообразное напряжение с амплитудой до 10 В от генератора Актаком АНР-1011. ВАХ регистрировались осциллографом Gwinstek GDS-71062A.

На рисунке 7 показаны типичные ВАХ пленок Ge2Sb2Te5 для разных толщин. Можно видеть, что форма ВАХ имеет S-образный вид, характерный для эффекта переключения. На ВАХ наблюдается участок быстрого роста тока, происходящего за время переключения материала tsw из высокоомного состояния в проводящее состояние, при достижении порогового напряжения Uth.

а)

б)

в)

Рисунок 7 – ВАХ пленок Ge2Sb2Te5: а) 175 нм, б) 100 нм, в) 30 нм

       Влияние толщины пленок на параметры переключения приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры эффекта переключения пленок.

Толщина, нм	Uth, В	tsw, нс
Ge2Sb2Te5	175	4	100
100	1.8	70
30	1	50

Из анализа результатов приведенных в таблице следует существенное влияние толщины пленок на Uth и tsw. Уменьшение толщины пленок от 175 до 30 нм приводит к уменьшению порогового напряжения и времени переключения в 4 и 2 раза, соответственно. 

В настоящее время хорошо установлено, что эффект переключения в пленках системы Ge-Sb-Te обусловлен обратимым фазовым перехода второго рода «аморфное↔поликристаллическое состояние». Наиболее полно механизм эффекта переключения объясняется на основе электронно-тепловой модели, по которой S-образность ВАХ является следствием нагрева и возникновения, так называемого электронно-теплового пробоя [5].

Заключение

Изучено влияние толщины наноразмерных пленок Ge2Sb2Te5, полученных методом ионно-плазменного распыления, на их структуру, электронные свойства и параметры эффекта переключения. Установлено, что пленки Ge2Sb2Te  разных толщин имеют аморфную структуру. Полупроводниковые параметры и параметры переключения существенно зависят от толщины пленок. Установленные изменения параметров пленок связаны с размерным эффектами.

Полученные результаты являются важными для развития фундаментальных подходов управления электронными свойствами пленок системы Ge-Sb-Te и их практического применения в устройствах записи и хранения информации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. , . Вольтамперная характеристика точечного контакта со стеклообразными полупроводниками // Радиотехника и электроника. - 1963. - Вып. 8. - С. 2097-2098.

2.  S. R. Ovshinsky. Symmetrical current controlling device // U. S. Patent No 3 271 591. 06.09.1966.

3. N. Yamada, E. Ohno, K. Nishiuchi. Rapid phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudo binary amorphous thin films for an disk memory // J. Appl. Phys. - 1991. Vol. 69(5). - P. 2849-2856.

4. V. Dzhurkov, S. Fefelov, D. Arsova, D. Nesheva. L. Kazakova. Electrical conductivity and optical properties of tellurium-rich Ge-Sb-Te films // Journal of Physics. – 2014. Vol. 558. – P. 012046

5. , . Физика эффектов переключения и памяти в халькогенидных стеклообразных полупроводниках // Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46, вып.5. - С. 577-608.

1, 1, 1, 1, 1, 2

(1Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті, Алматы қаласы,

Казахстан Республикасы,

2МИЭТ, г. Маскеу, Ресей)

sanzhar. *****@***com

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК Ge2Sb2Te5, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Аннотация.  В работе представлены результаты исследований структуры наноразмерных пленок Ge2Sb2Te5, их температурных зависимостей электропроводности и вольт-амперных характеристик. Пленки толщиной от 25 до 175 нм получались методом ионно-плазменного распыления. По результатам сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследуемых образцов установлено, что их структура является однородной и аморфной. Изучение температурной зависимости электропроводности пленок показало, что с уменьшением толщины пленок величина проводимости уменьшается, а их энергия активации проводимости возрастает. Из исследований вольт-амперных характеристик пленок Ge2Sb2Te5 установлено, что в пленках наблюдается обратимый эффект переключения, обусловленный реверсивным фазовым переходом «аморфное состояние↔поликристаллическое». Пороговое напряжение Uth и время переключения tsw с уменьшением толщины пленок существенно уменьшается.

Таким образом в работе установлено существенное влияние размерного эффекта на электронные свойства пленок Ge2Sb2Te5

Ключевые слова: Наноразмерные пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников, ионно-плазменное распыление, структура, проводимость, эффект переключения.

S. А. Dyussembayev1, O. Yu. Prikhodko1, N. Zh. Almasov1, Zh. K. Tolepov1, N. R. Guseinov1,  N. E. Korobova2

(IETP, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

MIET, Moscow, Russia)

sanzhar. *****@***com

STRUCTURE AND ELECTRONIC PROPERTIES OF NANOSCALE Ge2Sb2Te5 THIN FILMS OBTAINED BY ION PLASMA SPUTERRING

Annotation. The study shows the result of the structure and electronic properties of nanoscale Ge2Sb2Te5 thin films obtained by ion-plasma sputtering. According to the results of transmission electron microscopy were determined the structure of the samples and has been estimated its amorphous nature. The study of the temperature dependence of the electrical conductivity of films showed that with decreasing film’s thickness the activation energy of conductivity increases, and the conductivity at room temperature decreases.

From studies of current-voltage characteristics of Ge2Sb2Te5 films were found that the threshold voltage Uth and phase switching time tsw with decreasing film thickness decreases too.

Keywords: ChS, storage and rewriting information devices, ion-plasma sputtering, atomic structure and electronic properties.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ.

1. Дюсембаев. Санжар Ануарович –PhD докторант, физико-технический факультет КазНУ им. аль-Фараби, МНС «лаборатории тонкопленочного полупроводникового приборостроения и наноструктур». Контакты: 87052299034, sanzhar. *****@***com

2. . – PhD, старший преподаватель кафедры «Физики твердого тела и нелинейной физики» физико-технического факультета, КазНУ им. аль-Фараби. Контакты: 87019494310, almasov. *****@***ru

3. Гусейнов Назим Рустамович. – магистр, НС «Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа» КазНУ им. аль-Фараби.        

4. Приходько. Олег Юрьевич. – д. ф-м. н., профессор, заведующий кафедры «Физики твердого тела и нелинейной физики», физико-технический факультет, КазНУ им. аль-Фараби. Контакты: 87053199297, oleg. *****@***kz

5. –магистр, НС «лаборатории тонкопленочного полупроводникового приборостроения и наноструктур»,  физико-технического факультета, КазНУ им. аль-Фараби. Контакты: 87071556111, mr. *****@***ru

6. - д. х-м. н., профессор, с. н.с. кафедры Микроэлектроники МИЭТ, Москва, Россия. Контакты: *****@***ru

Контактная информация

Дюсембаев  Санжар Ануарович

Телефон -87052299034,

Email - sanzhar. *****@***com