GeSbTe - GeSbTe
GeSbTe ( germânio-antimônio-telúrio ou GST ) é um material de mudança de fase do grupo de vidros calcogenetos usados em discos ópticos regraváveis e aplicações de memória de mudança de fase . Seu tempo de recristalização é de 20 nanossegundos, permitindo que taxas de bits de até 35 Mbit / s sejam gravadas e com capacidade de sobregravação direta de até 10 6 ciclos. É adequado para formatos de gravação land-groove. É freqüentemente usado em DVDs regraváveis . Novas memórias de mudança de fase são possíveis usando semicondutor GeSbTe dopado com n . O ponto de fusão da liga é de cerca de 600 ° C (900 K) e a temperatura de cristalização está entre 100 e 150 ° C.
Durante a escrita, o material é apagado, inicializado em seu estado cristalino , com irradiação de laser de baixa intensidade. O material aquece até sua temperatura de cristalização, mas não seu ponto de fusão, e cristaliza. A informação é escrita na fase cristalina, aquecendo pontos dela com pulsos de laser curtos (<10 ns) e de alta intensidade ; o material funde localmente e é rapidamente resfriado, permanecendo na fase amorfa . Como a fase amorfa tem menor refletividade do que a fase cristalina, os dados podem ser registrados como manchas escuras no fundo cristalino. Recentemente, novos precursores de organogermânio líquido , como isobutilgermane (IBGe) e tetraquis (dimetilamino) germano (TDMAGe) foram desenvolvidos e usados em conjunto com os metalorgânicos de antimônio e telúrio , como antimônio tris-dimetilamino (TDMASb) e telureto de diisopropila (DIPTe) respectivamente, para cultivar GeSbTe e outros filmes de calcogenetos de altíssima pureza por deposição de vapor químico metalorgânico (MOCVD). O tricloreto de dimetilamino germânio (DMAGeC) também é relatado como o cloreto contendo e um precursor de dimetilaminogermânio superior para deposição de Ge por MOCVD.
Propriedades do material
GeSbTe é um composto ternário de germânio , antimônio e telúrio , com composição GeTe-Sb 2 Te 3 . No sistema GeSbTe, há uma pseudo-linha como mostrado sobre a qual a maioria das ligas se encontram. Descendo essa pseudo-linha, pode-se ver que, à medida que vamos de Sb 2 Te 3 a GeTe, o ponto de fusão e a temperatura de transição vítrea dos materiais aumentam, a velocidade de cristalização diminui e a retenção de dados aumenta. Portanto, para obter uma alta taxa de transferência de dados, precisamos usar material com velocidade de cristalização rápida, como Sb 2 Te 3 . Este material não é estável devido à sua baixa energia de ativação. Por outro lado, materiais com boa estabilidade amorfa como o GeTe têm velocidade de cristalização lenta devido à sua alta energia de ativação. Em seu estado estável, o GeSbTe cristalino tem duas configurações possíveis: hexagonal e uma rede cúbica de face centrada metaestável (FCC). Porém, quando é rapidamente cristalizado, descobriu-se que tinha uma estrutura de sal rochoso distorcida . GeSbTe tem uma temperatura de transição vítrea em torno de 100 ° C. GeSbTe também tem muitos defeitos de vacância na rede, de 20 a 25% dependendo do composto GeSbTe específico. Conseqüentemente, Te tem um par extra solitário de elétrons, que são importantes para muitas das características do GeSbTe. Defeitos de cristal também são comuns no GeSbTe e devido a esses defeitos, uma cauda de Urbach na estrutura da banda é formada nesses compostos. GeSbTe é geralmente do tipo p e há muitos estados eletrônicos no intervalo de banda, contabilizando armadilhas do tipo aceitador e doador. GeSbTe tem dois estados estáveis, cristalino e amorfo. O mecanismo de mudança de fase de fase amorfa de alta resistência para fase cristalina de baixa resistência em escala de tempo nano e comutação de limiar são duas das características mais importantes do GeSbTe.
Aplicativos em memória de mudança de fase
A característica única que torna a memória de mudança de fase útil como uma memória é a capacidade de efetuar uma mudança de fase reversível quando aquecida ou resfriada, alternando entre os estados amorfo e cristalino estáveis. Essas ligas possuem alta resistência no estado amorfo '0' e são semimetais no estado cristalino '1'. No estado amorfo, os átomos têm ordem atômica de curto alcance e baixa densidade de elétrons livres. A liga também possui alta resistividade e energia de ativação. Isso o distingue do estado cristalino com baixa resistividade e energia de ativação, ordem atômica de longo alcance e alta densidade de elétrons livres. Quando usado na memória de mudança de fase, o uso de um pulso elétrico curto e de alta amplitude, de modo que o material alcance o ponto de fusão e rapidamente resfriado, muda o material da fase cristalina para a fase amorfa é amplamente denominado como corrente de RESET e o uso de uma corrente relativamente mais longa e baixa O pulso elétrico de amplitude tal que o material atinge apenas o ponto de cristalização e dado tempo para cristalizar permitindo a mudança de fase de amorfo para cristalino é conhecido como corrente SET.
Os primeiros dispositivos eram lentos, consumiam energia e quebravam facilmente devido às grandes correntes. Portanto, ele não teve êxito quando a SRAM e a memória flash assumiram o controle. Na década de 1980, porém, a descoberta do germânio-antimônio-telúrio (GeSbTe) significou que a memória de mudança de fase agora precisava de menos tempo e energia para funcionar. Isso resultou no sucesso do disco óptico regravável e criou um interesse renovado na memória de mudança de fase. Os avanços na litografia também significaram que a corrente de programação anteriormente excessiva agora se tornou muito menor à medida que o volume de GeSbTe que muda de fase é reduzido.
A memória de mudança de fase tem muitas qualidades de memória quase ideais, como não volatilidade , velocidade de comutação rápida, alta resistência de mais de 10 13 ciclos de leitura e gravação, leitura não destrutiva, substituição direta e longo tempo de retenção de dados de mais de 10 anos. A única vantagem que o distingue de outra memória não volátil de próxima geração, como a memória de acesso aleatório magnético (MRAM), é a vantagem de escala exclusiva de ter melhor desempenho com tamanhos menores. O limite para o qual a memória de mudança de fase pode ser escalada é, portanto, limitado pela litografia pelo menos até 45 nm. Assim, ele oferece o maior potencial de obtenção de células de densidade de memória ultra-alta que podem ser comercializadas.
Embora a memória de mudança de fase seja muito promissora, ainda existem certos problemas técnicos que precisam ser resolvidos antes que ela possa atingir densidade ultra-alta e ser comercializada. O desafio mais importante para a memória de mudança de fase é reduzir a corrente de programação a um nível compatível com a corrente mínima de transmissão do transistor MOS para integração de alta densidade. Atualmente, a corrente de programação na memória de mudança de fase é substancialmente alta. Esta alta corrente limita a densidade de memória das células de memória de mudança de fase , pois a corrente fornecida pelo transistor não é suficiente devido ao seu alto requisito de corrente. Conseqüentemente, a vantagem exclusiva de dimensionamento da memória de mudança de fase não pode ser totalmente utilizada.
O projeto típico do dispositivo de memória de mudança de fase é mostrado. Possui camadas, incluindo o eletrodo superior, GST, a camada GeSbTe, BEC, o eletrodo inferior e as camadas dielétricas . O volume programável é o volume GeSbTe que está em contato com o eletrodo inferior. Esta é a parte que pode ser reduzida com a litografia. A constante de tempo térmica do dispositivo também é importante. A constante de tempo térmica deve ser rápida o suficiente para que o GeSbTe resfrie rapidamente no estado amorfo durante o RESET, mas lento o suficiente para permitir que a cristalização ocorra durante o estado SET. A constante de tempo térmica depende do design e do material com que a célula é construída. Para ler, um pulso de baixa corrente é aplicado ao dispositivo. Uma pequena corrente garante que o material não aqueça. As informações armazenadas são lidas medindo a resistência do dispositivo.
Troca de limite
A comutação de limiar ocorre quando o GeSbTe vai de um estado de alta resistência para um estado condutivo no campo de limiar de cerca de 56 V / um. Isso pode ser visto no gráfico de corrente - voltagem (IV), onde a corrente é muito baixa no estado amorfo em baixa voltagem até que a voltagem limite seja alcançada. A corrente aumenta rapidamente após o retorno da tensão . O material está agora no estado amorfo "ON", onde o material ainda é amorfo, mas em um estado elétrico pseudo-cristalino. No estado cristalino, as características IV são ôhmicas . Houve um debate sobre se a comutação de limite era um processo elétrico ou térmico . Houve sugestões de que o aumento exponencial na corrente na tensão limite deve ter sido devido à geração de portadoras que variam exponencialmente com a tensão, como ionização de impacto ou tunelamento .
Mudança de fase em escala nanométrica
Recentemente, muitas pesquisas se concentraram na análise de material do material de mudança de fase na tentativa de explicar a mudança de fase em alta velocidade do GeSbTe. Usando EXAFS , descobriu-se que o modelo mais adequado para GeSbTe cristalino é uma rede de sal rochoso distorcida e para amorfa uma estrutura tetraédrica. A pequena mudança na configuração de sal rochoso distorcido para tetraédrico sugere que a mudança de fase em nano-escala de tempo é possível, pois as ligações covalentes principais estão intactas e apenas as ligações mais fracas são quebradas.
Usando as estruturas locais cristalinas e amorfas mais possíveis para GeSbTe, o fato de que a densidade do GeSbTe cristalino é menos de 10% maior do que o GeSbTe amorfo, e o fato de que as energias livres de GeSbTe amorfo e cristalino têm que ser em torno da mesma magnitude, foi hipotetizado a partir de simulações da teoria funcional da densidade que o estado amorfo mais estável era a estrutura espinélica , onde Ge ocupa posições tetraédricas e Sb e Te ocupam posições octaédricas, já que a energia do estado fundamental era a mais baixa de todas as configurações possíveis. Por meio de simulações de dinâmica molecular de Car-Parrinello esta conjectura foi teoricamente confirmada.
Dominação da nucleação versus dominação do crescimento
Outro material semelhante é o AgInSbTe . Ele oferece densidade linear mais alta, mas tem ciclos de sobregravação mais baixos em 1-2 ordens de magnitude. É usado em formatos de gravação somente groove, geralmente em CDs regraváveis . AgInSbTe é conhecido como um material dominado pelo crescimento, enquanto o GeSbTe é conhecido como um material dominado pela nucleação. No GeSbTe, o processo de nucleação de cristalização é longo, com muitos pequenos núcleos cristalinos sendo formados antes de um curto processo de crescimento onde os numerosos pequenos cristais são unidos. Em AgInSbTe, existem apenas alguns núcleos formados no estágio de nucleação e esses núcleos crescem no estágio de crescimento mais longo, de modo que eventualmente formam um cristal.