Материалы для устройств фазовой памяти

Авторы: А.А. Шерченков, С.А. Козюхин, П.И. Лазаренко, А.В. Бабич

Материалы фазовой памяти обладают способностью быстрого и обратимого фазового перехода между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным, – и таким образом их способны реализовать концепцию двоичной логики. Такие материалы могут быть использованы для формирования функциональной среды ячеек энергонезависимой фазовой памяти, рассматриваемой в настоящее время в качестве кандидата для замены традиционных устройств памяти на базе хранения заряда. Результаты авторских разработок направлены на улучшение функциональных характеристик материалов фазовой памяти.

Широко распространенная на сегодняшний день флэш-память обладает рядом существенных ограничений (небольшое количество циклов перезаписи, относительно невысокая скорость работы, технологические ограничения на увеличение плотности записи информации), обусловленных принципом работы такой памяти на основе хранения заряда на одном из затворов полевого транзистора. Фазовая память нового поколения лишена указанных недостатков. Перспективными материалами для такой памяти являются материалы тройной системы Ge-Sb-Te. Авторами показано, что добавление такой примеси, как Bi, способно повлиять на свойства таких материалов, то есть расширяет возможности управления этими свойствами – что является важнейшим условием построения логических устройств на их основе. Проведены исследования электрофизических, оптических, структурных и термических свойств тонких пленок исследуемых материалов с различными концентрациями примеси Bi. Разработана методика оценки кинетических параметров фазовых переходов. В результате проведенных исследований обнаружено наличие двух концентрационных диапазонов. При низких концентрациях Bi (до 1 масс. %) наблюдается отклонение изменения свойств от монотонной зависимости. Показано, что устройства фазовой памяти на основе материала Ge₂Sb₂Te₅ + 0,5 масс. % Bi могут обладать временем записи информации меньше 1 нс, сохраняя при этом стабильность при комнатной температуре, что обеспечивает продолжительное время хранения информации. С помощью примеси Bi можно увеличить разницу проводимости (на порядок) и оптического контраста (до 40%) между различными фазовыми состояниями, что увеличит стабильность ячеек памяти на основе таких материалов. Кроме того, добавление примеси висмута позволяет существенно расширить возможность изменения температур фазовых переходов по сравнению с материалами тройной системы Ge-Sb-Te.

В настоящее время основными материалами для фазовой памяти являются материалы, лежащие на линии квазибинарного разреза GeTe-Sb₂Te₃ [1, 2]. По сравнению с ними для исследуемых материалов с примесью висмута наблюдается уменьшенное время кристаллизации, повышенная стабильность при комнатных температурах, увеличение перепада проводимости и оптического контраста между различными фазовыми состояниями. В России аналогов нет.

Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования технологии фазовой памяти и получения ячеек с улучшенными свойствами.

1. Yamada N. Erasable Phase Change Optical Materials. // MRS Bulletin. 1996. V. 21. № 9. P. 48.
2. Raoux S., Wełnic W., Ielmini D. Phase change materials and their application to nonvolatile memories.// Chem. Rev. – 2010. - V.110. - P. 240–267.

Область применения:

устройства энергонезависимой фазовой памяти для электронной техники.

Стадия готовности к практическому применению:

Получены тонкие пленки материалов фазовой памяти, на основе которых можно изготовить ячейки энергонезависимой фазовой памяти, обладающие временем переключения порядка 1 нс и крайне длительным временем хранения информации (сотни лет).

Ведется сотрудничество с Институтом общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова Российской Академии Наук и Рязанским государственным радиотехническим университетом.

Полученные результаты были представлены на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах, опубликованы в статьях:

1. Sherchenkov A, Kozyukhin S, Babich A. Estimation of kinetic parameters for the phase change memory materials by DSC measurements. //Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2014. – Vol. 117. – Issue 3. – P. 1509-1516.
2. Kozyukhin S., Sherchenkov A., Babich, A., Lazarenko P., Nguyen, H.P., Prikhodko O. Peculiarities of Bi doping of Ge-Sb-Te thin films for PCM devices. // Canadian Journal of Physics. – 2014. – Vol. 92. – Issue 7-8. – P. 684-689.
3. Sherchenkov A., Kozyukhin S., Babich A., Shtern Y., Mironov R. Influence of doping on the crystallization kinetics of Ge-Sb-Te thin films for phase-change memory application. // Proc. SPIE. – 2014. – Vol. 9440. – P. 944005.
4. Lazarenko P., Sherchenkov A., Kozyukhin S., Shtern M., Timoshenkov S., Gromov D., Redichev E. Investigation of transport mechanisms in Bi doped Ge₂Sb₂Te₅ thin films for phase change memory application. // Proc. SPIE. – 2014. – Vol. 9440. – P. 944006.