GebTe

GeSbTe

GeSbTe(게르마늄-안티모니-텔루륨 또는 GST)는 재기입 가능한 광디스크 및 상변화 메모리 애플리케이션에 사용되는 카르코게나이드 안경군의 상변화 물질입니다.재결정 시간은 20나노초이며 최대 35Mbit/s의 비트레이트를 쓸 수 있으며 최대6 10사이클까지 직접 덮어쓸 수 있습니다.랜드 그루브 녹음 포맷에 적합합니다.개서 가능한 DVD에 자주 사용됩니다.n-도프된 GeSbTe 반도체를 사용하여 새로운 상변화 메모리가 가능합니다.합금의 용해점은 약 600 °C(900 K)이며 결정화 온도는 100 ~ 150 °C입니다.

쓰기 중에는 저강도 레이저 조사에 의해 재료를 소거하고 결정 상태로 초기화한다.물질은 결정화 온도까지 가열되지만 녹는점은 가열되지 않고 결정화됩니다.정보는 결정 단계에서 짧은(10ns 미만) 고강도 레이저 펄스로 스폿을 가열함으로써 작성됩니다. 재료는 국소적으로 녹고 빠르게 냉각되어 비정질 상태로 유지됩니다.비정상은 결정상보다 반사율이 낮기 때문에 결정 배경상에 암점으로 데이터를 기록할 수 있다.최근, isobutylgermane[1][2][3](IBGe)과 tetrakisᆮgermane[4][5](TDMAGe) 같은 소설 액체 organogermanium들, 안티몬과 텔루륨의tris-dimethylamino 안티몬(TDMASb)과 di-isopropyl 텔루르화(DIPTe)각각 같은 metalorganics와 함께, GeSbTe과 다른 c이 자라는데 사용한다 개발되었다halcogenide fi금속 유기 화학 증착(MOCVD)에 의한 매우 높은 순도의 lms.디메틸아미노게르마늄트리클로로라이드(DMAGeC)는 MOCVD에 의한 Ge 증착용 염화물 함유 및 우수한 디메틸아미노게르마늄 전구체로서도 보고된다.

재료 특성

GeSbTe 3원 합금 시스템의 위상도

GeSbTe는 게르마늄, 안티몬 및 텔루루로 이루어진 3원 화합물이며 GeTe-SbTe23 성분입니다.GeSbTe 시스템에는 대부분의 합금이 놓여 있는 의사 라인이 있습니다.이 유사선을 따라 내려가면 SbTe에서23 GeTe로 이동함에 따라 재료의 녹는점과 유리 전이 온도가 증가하고 결정화 속도가 감소하며 데이터 보존이 증가하는 것을 알 수 있습니다.따라서 높은 데이터 전송률을 얻기 위해서는 SbTe와 같이23 결정화 속도가 빠른 재료를 사용해야 합니다.이 물질은 활성화 에너지가 낮기 때문에 안정적이지 않습니다.반면 GeTe처럼 비정질 안정성이 좋은 물질은 활성화 에너지가 높아 결정속도가 느리다.결정성 GeSbTe는 안정된 상태에서 육각형과 준안정면중심입방체(FCC) 격자의 두 가지 가능한 구성을 가진다.그러나 빠르게 결정화되면 암석염 구조가 뒤틀려 있는 것으로 밝혀졌다.GeSbTe의 유리 전이 온도는 약 100°[7]C입니다.또한 GeSbTe는 격자에 특정 GeSbTe 화합물에 따라 20~25%의 빈 결점이 있습니다.따라서, Te는 GeSbTe의 많은 특징에 중요한 여분의 단독 전자 쌍을 가지고 있습니다.결정결함도 GeSbTe에서 흔히 볼 수 있으며, 이러한 결함으로 인해 이들 화합물에는 밴드 구조의 Urbach tail이 형성된다.GeSbTe는 일반적으로 p형이며 밴드갭에는 트랩과 같은 수용체와 기증자를 설명하는 많은 전자 상태가 있습니다.GeSbTe는 결정성 상태와 비정질 상태의 두 가지 안정 상태를 가지고 있습니다.나노 타임스케일과 역치 전환에서 고저항 비정질 상으로부터 저저항 결정상으로의 상변화 메커니즘은 GeSbTe의 가장 중요한 특징 중 두 가지입니다.

상변화 메모리 내의 응용 프로그램

상변화 메모리를 메모리로 유용하게 만드는 독특한 특성은 가열 또는 냉각 시 안정적인 비정질 상태와 결정 상태 사이를 전환하여 가역적인 상변화를 일으키는 능력입니다.이러한 합금은 비정질 상태 '0'에서 높은 저항을 가지며 결정 상태 '1'에서 세미메탈입니다.비정질 상태에서 원자는 단거리 원자 질서와 낮은 자유 전자 밀도를 가진다.또한 이 합금은 높은 저항률과 활성화 에너지를 가지고 있습니다.이것은 낮은 저항률과 활성화 에너지, 장거리 원자 질서와 높은 자유 전자 밀도를 가진 결정성 상태와 구별됩니다.상변화기억장치에서 사용되는 경우 재료가 녹는점에 도달하고 빠르게 담금질되는 짧은 고진폭 전기 펄스를 사용하는 것을 RESET 전류라고 하며, 재료가 결정체에만 도달하도록 비교적 긴 저진폭 전기 펄스를 사용하는 것을 RESET 전류라고 한다.알라이제이션 포인트와 주어진 결정화 시간을 통해 비정질에서 결정성으로의 위상 변화를 SET 전류라고 합니다.

초기 장치들은 속도가 느리고, 전력이 많이 소모되었으며, 큰 전류 때문에 쉽게 고장 났다.따라서 SRAM과 플래시 메모리가 이어지면서 성공하지 못했다.그러나 1980년대에 게르마늄-안티모니-텔루륨(GeSbTe)의 발견은 상변화 메모리가 기능하는 데 더 적은 시간과 전력이 필요하다는 것을 의미했습니다.이것에 의해, 개서 가능한 광디스크가 성공해, 상변화 메모리에 대한 새로운 관심이 생겼습니다.리소그래피의 발달은 위상을 바꾸는 GeSbTe의 부피가 감소함에 따라 이전에는 과도한 프로그래밍 전류가 훨씬 작아졌다는 것을 의미하기도 합니다.

위상변화 메모리는 비휘발성, 고속 스위칭 속도, 10회 이상의13 읽기 쓰기 사이클의 높은 내구성, 비파괴 읽기, 직접 덮어쓰기, 10년 이상의 데이터 보유 시간 등 이상적인 메모리 품질을 갖추고 있습니다.MRAM(Magnetic Random Access Memory)과 같은 다른 차세대 비휘발성 메모리와 구별되는 장점은 크기가 작을수록 성능이 향상된다는 고유한 스케일링 이점입니다.따라서 상변화 메모리를 스케일링할 수 있는 제한은 리소그래피에 의해 최소 45nm까지 제한됩니다.상용화할 수 있는 초고밀도 메모리 셀을 실현할 수 있는 가장 큰 잠재력을 제공한다.

상변화 메모리는 유망하지만 초고밀도에 도달해 상용화하려면 아직 해결해야 할 기술적 문제가 있다.상변화 메모리의 가장 중요한 과제는 프로그래밍 전류를 고밀도 집적화를 위한 최소 MOS 트랜지스터 구동 전류와 호환되는 수준으로 줄이는 것입니다.현재 위상변화 메모리의 프로그래밍 전류는 상당히 높다.이 고전류는 상변화 메모리 셀의 높은 전류 요구로 인해 트랜지스터에 의해 공급되는 전류가 충분하지 않기 때문에 상변화 메모리 셀의 메모리 밀도를 제한합니다.따라서 위상변화 메모리의 고유한 스케일링 이점을 충분히 활용할 수 없습니다.

상변화 기억장치의 전형적인 구조를 나타내는 그림

전형적인 상변화 메모리 디바이스 설계를 나타냅니다.상부 전극, GST, GeSbTe 층, BEC, 하부 전극 및 유전체 층을 포함한 층이 있습니다.프로그래밍 가능한 볼륨은 하단 전극과 접촉하는 GeSbTe 볼륨입니다.이것은 리소그래피로 축척할 수 있는 부분입니다.장치의 열 시간 상수도 중요합니다.열 시간 상수는 GeSbTe가 RESET 중에 비정질 상태로 빠르게 냉각될 수 있을 정도로 충분히 빠르지만 SET 상태에서는 결정화가 발생할 수 있을 만큼 충분히 느리도록 해야 합니다.열 시간 상수는 셀이 구축된 설계와 재료에 따라 달라집니다.읽기 위해 장치에 저전류 펄스가 인가됩니다.전류가 적으면 재료가 가열되지 않습니다.장치의 저항을 측정하여 기억된 정보를 읽어낸다.

임계값 스위칭

임계값 스위칭은 GeSbTe가 약 56V/[8]um의 임계값 필드에서 높은 저항 상태에서 전도 상태로 전환될 때 발생합니다.이는 전류-전압(IV) 플롯에서 확인할 수 있습니다. 여기서 전류는 임계값 전압에 도달할 때까지 낮은 전압에서 비정질 상태로 매우 낮습니다.전압 스냅백 후 전류가 빠르게 증가합니다.현재 물질은 비정질 "ON" 상태이며, 여기서 물질은 비정질이지만 의사 결정 전기 상태입니다.결정성 상태에서는 IV 특성은 오믹입니다.임계값 전환이 전기적 프로세스인지 열적 프로세스인지에 대한 논란이 있었습니다.임계 전압에서의 전류의 기하급수적인 증가는 충격 이온화 또는 [9]터널링과 같은 전압에 따라 기하급수적으로 변화하는 반송파의 생성에 기인한 것이 틀림없다는 의견이 있었다.

RESET 전류 펄스가 높은 진폭과 짧은 지속 시간, 낮은 진폭과 긴 지속 시간인 SET 전류

나노 타임스케일 상변화

최근 많은 연구가 GeSbTe의 고속 상변화를 설명하기 위해 상변화 물질의 재료 분석에 초점을 맞추고 있다.EXAFS를 사용하여 결정성 GeSbTe에 가장 적합한 모델은 왜곡된 암석염 격자이며 비정질 사면체 구조인 것으로 밝혀졌다.왜곡된 암석염에서 사면체로의 작은 구성 변화는 주요 공유 결합이 온전하고 더 약한 결합만 끊어지기 때문에 나노 타임스케일 위상 변화가 가능하다는[10] 것을 시사한다.

GeSbTe다는 사실을 결정 GeSbTe의 밀도 10%미만의 비결정 GeSbTe에 비해 사실과 결정의 비결정 GeSbTe의 자유 에너지들은 같은 크기의 주위에 있는 것이 크다 가장 가능한 결정과 비정질 지역 구조를 이용하여 이것은 밀도 기능 이론 simulations[11]월에서 가정했다.t에서가장 안정적인 비정질 상태는 스피넬 구조이며, 여기서 Ge는 사면체 위치를 차지하고 Sb와 Te는 팔면체 위치를 차지한다. 지면 상태의 에너지가 가능한 모든 구성 중 가장 낮았기 때문이다.Car-Parrinello 분자 역학 시뮬레이션을 통해 이 추측이 이론적으로 [12]확인되었습니다.

핵형성-지배 대 성장-지배

또 다른 유사한 소재는 AgInSbTe입니다.선형 밀도는 높지만 덮어쓰기 주기는 1~2배 정도 낮습니다.GeSbTe는 성장 주도의 물질로 알려진 반면 GeSbTe는 핵 생성 주도의 물질로 알려진 그루브만의 기록 형식에서 사용됩니다.GeSbTe에서 결정화의 핵 형성 과정은 길고 많은 작은 결정핵이 짧은 성장 과정 전에 형성된다.AgInSbTe에서는 핵생성 단계에서 형성되는 핵이 적으며, 이 핵들은 긴 성장 단계에서 더 커져 결국 하나의 [13]결정을 형성한다.

레퍼런스

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