Фазовые превращения в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te при воздействии импульсным лазерным излучением нано- и фемтосекундной длительности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-79-10465

НазваниеФазовые превращения в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te при воздействии импульсным лазерным излучением нано- и фемтосекундной длительности

Руководитель Лазаренко Петр Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Энергонезависимая оптическая память, оптические межсоединения, фазовая память, тонкие пленки, халькогенидные полупроводники, Ge-Sb-Te, нано- и фемтосекундное лазерное излучение, оптические свойства, структурные свойства.

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Согласно отчету консалтинговой компании Yole Developpement энергонезависимые запоминающие устройства, основанные на флэш-технологии, получили наибольшее распространение среди пользователей электронной техники на данный момент. Однако, несмотря на высокие темпы роста и объемы производства, устройства флэш-памяти обладают низкой скоростью записи информации (10 000 нс), недостаточным количеством циклов записи информации (1 000 000), низкой радиационной стойкостью, достигнутым пределом уменьшения геометрических размеров ячейки памяти, так как при дальнейшем уменьшении размеров транзистора существенно возрастают токи утечки. [Emerging Non Volatile Memories 2015 report [Электронный ресурс] / Yole Developpement, 2015. – Режим доступа: http://www.yole.fr/iso_upload/Samples/Yole_Emerging_Non_Volatile_Memory_Sample.pdf]. Халькогенидные полупроводники на основе материалов системы Ge-Sb-Te активно исследуются в последнее время в связи с перспективами их применения в электрической энергонезависимой памяти и с успешным коммерческим применением в оптических дисках (DVD-R/RW, DVD+R/RW и Blu-Ray) [Raoux, S. Phase change materials and phase change memory / Raoux, S. Xiong, F. Wuttig, M. Pop, E. // MRS BULLETIN. – 2014. – VOL. 39. – pp. 703-710]. Принцип работы данных устройств основан на быстрых фазовых превращениях между аморфным и кристаллическим состояниями, происходящих в наноразмерной области при оптических или электрических низкоэнергетических воздействиях и сопровождающихся изменением свойств халькогенидного материала [Lazarenko, P. Electrical properties and transport mechanisms in Ge-Sb- Te thin films / P. Lazarenko, A. Sherchenkov, S. Kozyukhin, A. Babich, S. Timoshenkov, A. Shuliatyev, V. Kudoyarova // Journal Of Optoelectonics And Advanced Materials. – Vol. 18. – 2016. – pp. 50-55.]. Быстродействие элементов фазовой памяти определяется скоростью процесса кристаллизации, для которого необходим импульс более высокой длительности по сравнению с процессом аморфизации [Raoux, S. Phase change materials and phase change memory / Raoux, S. Xiong, F. Wuttig, M. Pop, E. // MRS BULLETIN. – 2014. – VOL. 39. – pp. 703-710]. Однако многие фундаментальные вопросы, связанные с механизмами кристаллизации и аморфизации, до сих пор продолжают исследоваться [Mukhopadhyay, S. Competing covalent and ionic bonding in Ge-Sb-Te phase change materials / Mukhopadhyay, S., Sun, J., Subedi, A., Siegrist, T., Singh, D.J. // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6.]. Проведенные исследования [Lazarenko, P.I. Electrophysical properties of Ge-Sb-Te thin films for phase change memory devices / P.I.Lazarenko, S.A.Kozyukhin, A.A.Sherchenkov, A.V.Babich, S.P.Timoshenkov, D.G.Gromov, A.V.Zabolotskaya, V.V.Kozik //Russian Physics Journal. – 2016. – Vol. 59. – No. 9. – pp. 80-86] показали, что под действием импульса электрического тока время переключения тонких пленок фазовой памяти на основе соединения Ge-Sb-Te составляет менее 170 нс. При этом в работе [Sun, X. Crystallization of Ge2Sb2Te5 thin films by nano- and femtosecond single laser pulse irradiation / X. Sun // Scientific Reports. – 2016. - 6:28246. – pp.1-8] была продемонстрирована кристаллизация пленок системы Ge-Sb-Te под действием лазерного излучения фемтосекундной длительности. Быстрое время переключения тонких пленок системы Ge-Sb-Te с помощью лазерного излучения и существенное изменение их оптических свойств позволяет сделать вывод, что данные материалы также могут быть успешно использованы для создания быстродействующей оптической памяти, работающей в интегральных микросхемах на основе кремния c оптическими межсоединениями и не требующей электрооптических преобразований. Проведение исследований фазовых превращений в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников системы Ge-Sb-Te при воздействии импульсным лазерным излучением нано- и фемтосекундной длительности позволит разработать физико-технологические решения и лабораторный технологический регламент формирования ячейки энергонезависимой оптической памяти. Определение взаимосвязи между фазовыми превращениями и изменением структурных характеристик, морфологии поверхности, оптических и электрофизических свойств позволит прогнозировать характеристики ячеек памяти и оценить рабочие диапазоны и оптимальные режимы работы оптической памяти. При этом выявление особенностей процессов кристаллизации тонких пленок фазовой памяти при воздействии импульсным лазерным излучением по сравнению с термической обработкой позволит прояснить фундаментальные вопросы, связанные с особенностями механизмов кристаллизации и аморфизации тонких пленок Ge-Sb-Te, что важно для целенаправленного развития технологии фазовой памяти. Данные результаты в совокупности с разработанными ранее методами управления свойствами материалов системы Ge-Sb-Te [Lazarenko, P. Influence of Bi doping on electrical and optical properties of phase change material Ge2Sb2Te5 / P. Lazarenko, H.P. Nguyena, S. Kozyukhina, A. Sherchenkov // Journal Of Optoelectronics And Advanced Materials. – 2011. - Vol. 13. - No. 11-12. - pp. 1400 – 1404] должны стать основой для дальнейшего создания отечественной быстродействующей энергонезависимую оптической памяти без электрооптических преобразований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Глухенькая В., Лазаренко П., Полохин А., Шерченков А., Козюхин С., Михайлова М., Смаев М. Modification of the surface morphology and structural transformations of amorphous Ge2Sb2Te5 thin films after fs-laser exposure 5th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures: Book of abstract., 5th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures: Book of abstract, — 2018. — p. 52-53, (год публикации - 2018)

2. Якубов А.О. Диагностика электрофизических характеристик тонких пленок Ge2Sb2Te5, сформированных разными методами осаждения Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать четвертая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл., Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать четвертая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“». — 2017. — С. 87-91. (год публикации - 2017)

3. Глухенькая В.Б., Полохин А.А., Якубов А.О. Исследование воздействия лазерного излучения на тонкие пленки материала фазовой памяти Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать четвертая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл., Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двадцать четвертая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг „Радуга“». — 2017. — С. 87-91. (год публикации - 2017)

4. Лазаренко П., Савельев М., Козюхин С., Шерченков А., Герасименко А., Глухенькая В., Бабич А., Полохин А. Crystallization and amorphization of Ge2Sb2Te5 thin films by nanosecond single laser pulse 13th International Conference on Solid State Chemistry, Book of Abstracts (год публикации - 2018)

5. Лазаренко П., Воробьев Ю., Савельев М., Якубов А., Шерченков А., Козюхин С., Герасименко А., Глухенькая В., Полохин А. Crystallization and amorphization of Ge-Sb-Te thin films by ns-laser pulses Proceedings of the International Conference "Micro- and Nanoelectronics - 2018", Book of Abstracts (год публикации - 2018)

6. Глухенькая В.Б., Лазаренко П.И., Козюхин С.А., Воробьев Ю.В., Шерченков А.А., Савельев М.С., Полохин А.А., Герасименко А.Ю. Кристаллизация и аморфизация тонких пленок Ge2Sb2Te5 под воздействием нс-лазерного излучения Аморфные и микрокристаллические полупроводники, Сборник трудов Международной конференции (год публикации - 2018)

7. 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 удельного сопротивления Аморфные и микрокристаллические полупроводники, Сборник трудов Международной конференции (год публикации - 2018)

8. Лазаренко П., Савельев М., Якубов А., Козюхин С., Шерченков А., Герасименко А., Глухенькая В., Полохин А. Influence of substrate thermal conductivity on the crystallization process of Ge2Sb2Te5 thin films by nanosecond single laser pulse Advanced Nano Materials Conference, Book of Abstracts (год публикации - 2018)

9. Лазаренко П., Козюхин С., Воробьев Ю., Смаев М., Зыбина Ю., Кицюк Е., Шерченков А. Laser-induced modification and formation of periodic surface structures of amorphous Ge2Sb2Te5 thin films Book of abstracts "5th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures" (год публикации - 2019)

10. Козюхин С., Лазаренко П., Воробьев Ю., Баранчиков А., Глухенькая В., Смаев М., Шерченков А., Зыбина Ю., Полохин А., Сигаев В. Laser-induced modification and formation of periodic surface structures (ripples) of amorphous GST225 phase change materials Optics and Laser Technology, Vol. 113, 2019, P. 87–94 (год публикации - 2019)
10.1016/j.optlastec.2018.12.017

11. Козюхин С., Лазаренко П., Воробьев Ю., Савельев М., Полохин А., Глухенькая В., Шерченков А., Герасименко Ю. Laser-induced modification of amorphous GST225 phase change materials Matériaux & Techniques (год публикации - 2019)
10.1051/mattech/2019008

12. А. Шерченков, С. Козюхин, А. Бабич, П. Лазаренко, В. Калугин, С. Тимошенков, Н. Боргардт, Ю. Зыбина CRYSTALLIZATION MECHANISM AND KINETIC PARAMETERS IN Ge2Sb2Te5 THIN FILMS FOR THE PHASE CHANGE MEMORY APPLICATION Chalcogenide Letters, Том: 15. Выпуск: 1. Cтр.: 45-54. (год публикации - 2018)

Публикации