GeSbTe ( germanio-antimonio-telurio o GST ) es un material de cambio de fase del grupo de vidrios calcogenuros utilizados en discos ópticos regrabables y aplicaciones de memoria de cambio de fase . Su tiempo de recristalización es de 20 nanosegundos, lo que permite escribir velocidades de bits de hasta 35 Mbit /s y capacidad de sobrescritura directa de hasta 10 6 ciclos. Es adecuado para formatos de grabación land-groove. Se utiliza a menudo en DVD regrabables . Son posibles nuevas memorias de cambio de fase utilizando un semiconductor GeSbTe dopado n . El punto de fusión de la aleación es de unos 600 °C (900 K) y la temperatura de cristalización está entre 100 y 150 °C.
Durante la escritura, el material se borra y se inicializa en su estado cristalino mediante irradiación láser de baja intensidad. El material se calienta hasta su temperatura de cristalización, pero no hasta su punto de fusión, y cristaliza. La información se escribe en la fase cristalina, calentando puntos de la misma con pulsos láser cortos (<10 ns) y de alta intensidad; el material se funde localmente y se enfría rápidamente, permaneciendo en la fase amorfa . Como la fase amorfa tiene una reflectividad menor que la fase cristalina, los datos pueden registrarse como puntos oscuros sobre el fondo cristalino. Recientemente, se desarrollaron y utilizaron nuevos precursores líquidos de organogermano , como el isobutilgermano [1] [2] [3] (IBGe) y el tetrakis(dimetilamino)germano [4] [5] (TDMAGe) junto con los metalorgánicos de antimonio y telurio . , como tris-dimetilamino antimonio (TDMASb) y telururo de diisopropilo (DIPTe), respectivamente, para hacer crecer GeSbTe y otras películas de calcogenuro de muy alta pureza mediante deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD). También se informa que el tricloruro de dimetilaminogermanio [6] (DMAGeC) es el precursor superior de dimetilaminogermanio que contiene cloruro para la deposición de Ge mediante MOCVD.
GeSbTe es un compuesto ternario de germanio , antimonio y telurio , con composición GeTe-Sb 2 Te 3 . En el sistema GeSbTe, hay una pseudolínea, como se muestra, sobre la que se encuentran la mayoría de las aleaciones. Bajando por esta pseudolínea, se puede ver que a medida que pasamos de Sb 2 Te 3 a GeTe, el punto de fusión y la temperatura de transición vítrea de los materiales aumentan, la velocidad de cristalización disminuye y la retención de datos aumenta. Por lo tanto, para obtener una alta velocidad de transferencia de datos, necesitamos utilizar material con una velocidad de cristalización rápida, como Sb 2 Te 3 . Este material no es estable debido a su baja energía de activación. Por otro lado, los materiales con buena estabilidad amorfa como GeTe tienen una velocidad de cristalización lenta debido a su alta energía de activación. En su estado estable, el GeSbTe cristalino tiene dos configuraciones posibles: una red hexagonal y una red cúbica metaestable centrada en las caras (FCC). Sin embargo, cuando cristalizó rápidamente, se descubrió que tenía una estructura de sal gema distorsionada . El GeSbTe tiene una temperatura de transición vítrea de unos 100 °C. [7] GeSbTe también tiene muchos defectos de vacancia en la red, del 20 al 25% dependiendo del compuesto específico de GeSbTe. Por lo tanto, el Te tiene un par de electrones extra solitarios , que son importantes para muchas de las características del GeSbTe. Los defectos cristalinos también son comunes en GeSbTe y debido a estos defectos, en estos compuestos se forma una cola de Urbach en la estructura de la banda . GeSbTe es generalmente de tipo p y hay muchos estados electrónicos en la banda prohibida que representan trampas tipo aceptor y donante. GeSbTe tiene dos estados estables, cristalino y amorfo. El mecanismo de cambio de fase de la fase amorfa de alta resistencia a la fase cristalina de baja resistencia en nanoescala de tiempo y la conmutación de umbral son dos de las características más importantes del GeSbTe.
La característica única que hace que la memoria de cambio de fase sea útil como memoria es la capacidad de efectuar un cambio de fase reversible cuando se calienta o enfría, cambiando entre estados amorfos y cristalinos estables. Estas aleaciones tienen alta resistencia en el estado amorfo '0' y son semimetales en el estado cristalino '1'. En estado amorfo, los átomos tienen un orden atómico de corto alcance y una baja densidad de electrones libres. La aleación también tiene alta resistividad y energía de activación. Esto lo distingue del estado cristalino que tiene baja resistividad y energía de activación, orden atómico de largo alcance y alta densidad de electrones libres. Cuando se utiliza en la memoria de cambio de fase, el uso de un pulso eléctrico corto y de alta amplitud, de modo que el material alcance el punto de fusión y se enfríe rápidamente, cambia el material de la fase cristalina a la fase amorfa se denomina ampliamente corriente de RESET y el uso de una corriente relativamente más larga y baja. Un pulso eléctrico de amplitud tal que el material alcanza solo el punto de cristalización y se le da tiempo para cristalizar, permitiendo el cambio de fase de amorfo a cristalino, se conoce como corriente SET.
Los primeros dispositivos eran lentos, consumían energía y se estropeaban fácilmente debido a las grandes corrientes. Por lo tanto, no tuvo éxito ya que SRAM y la memoria flash tomaron el control. Sin embargo, en la década de 1980, el descubrimiento del germanio-antimonio-telurio (GeSbTe) significó que la memoria de cambio de fase ahora necesitaba menos tiempo y energía para funcionar. Esto resultó en el éxito del disco óptico regrabable y generó un renovado interés en la memoria de cambio de fase. Los avances en litografía también significaron que la corriente de programación que antes era excesiva, ahora se ha vuelto mucho más pequeña a medida que se reduce el volumen de GeSbTe que cambia de fase.
La memoria de cambio de fase tiene muchas cualidades de memoria casi ideales, como no volatilidad , velocidad de conmutación rápida, alta resistencia de más de 10 13 ciclos de lectura y escritura, lectura no destructiva, sobrescritura directa y un largo tiempo de retención de datos de más de 10 años. La única ventaja que la distingue de otras memorias no volátiles de próxima generación, como la memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM), es la ventaja de escala única de tener un mejor rendimiento con tamaños más pequeños. Por tanto, el límite al que se puede escalar la memoria de cambio de fase está limitado por la litografía al menos hasta 45 nm. Por lo tanto, ofrece el mayor potencial para lograr células de densidad de memoria ultraalta que puedan comercializarse.
Aunque la memoria de cambio de fase es muy prometedora, todavía hay ciertos problemas técnicos que deben resolverse antes de que pueda alcanzar una densidad ultraalta y comercializarse. El desafío más importante para la memoria de cambio de fase es reducir la corriente de programación al nivel que sea compatible con la corriente mínima de excitación del transistor MOS para la integración de alta densidad. Actualmente, la corriente de programación en la memoria de cambio de fase es sustancialmente alta. Esta alta corriente limita la densidad de memoria de las celdas de memoria de cambio de fase , ya que la corriente suministrada por el transistor no es suficiente debido a su alto requerimiento de corriente. Por lo tanto, la ventaja de escala única de la memoria de cambio de fase no se puede utilizar por completo.
Se muestra el diseño típico de un dispositivo de memoria de cambio de fase. Tiene capas que incluyen el electrodo superior, GST, la capa de GeSbTe, BEC, el electrodo inferior y las capas dieléctricas . El volumen programable es el volumen de GeSbTe que está en contacto con el electrodo inferior. Esta es la parte que se puede reducir con litografía. También es importante la constante de tiempo térmica del dispositivo. La constante de tiempo térmica debe ser lo suficientemente rápida para que GeSbTe se enfríe rápidamente al estado amorfo durante el RESET, pero lo suficientemente lenta como para permitir que se produzca la cristalización durante el estado SET. La constante de tiempo térmica depende del diseño y del material con el que está construida la celda. Para leer, se aplica un pulso de corriente baja al dispositivo. Una pequeña corriente garantiza que el material no se caliente. La información almacenada se lee midiendo la resistencia del dispositivo.
La conmutación de umbral se produce cuando GeSbTe pasa de un estado altamente resistivo a un estado conductivo en el campo umbral de aproximadamente 56 V/um. [8] Esto se puede ver en el gráfico corriente - voltaje (IV), donde la corriente es muy baja en el estado amorfo a bajo voltaje hasta que se alcanza el voltaje umbral. La corriente aumenta rápidamente después del retroceso del voltaje . El material se encuentra ahora en el estado amorfo "ON", donde el material todavía está amorfo, pero en un estado eléctrico pseudocristalino. En estado cristalino, las características IV son óhmicas . Se había debatido si la conmutación del umbral era un proceso eléctrico o térmico . Hubo sugerencias de que el aumento exponencial de la corriente en el voltaje umbral debe haberse debido a la generación de portadores que varían exponencialmente con el voltaje, como la ionización por impacto o la tunelización . [9]
Recientemente, muchas investigaciones se han centrado en el análisis del material de cambio de fase en un intento de explicar el cambio de fase a alta velocidad del GeSbTe. Utilizando EXAFS , se descubrió que el modelo más coincidente para el GeSbTe cristalino es una red de sal de roca distorsionada y para el amorfo, una estructura tetraédrica. El pequeño cambio en la configuración de sal de roca distorsionada a tetraédrica sugiere que es posible un cambio de fase a nanoescala de tiempo [10] ya que los enlaces covalentes principales están intactos y solo los enlaces más débiles se rompen.
Utilizando las estructuras locales cristalinas y amorfas más posibles para GeSbTe, el hecho de que la densidad del GeSbTe cristalino es menos de un 10% mayor que la del GeSbTe amorfo, y el hecho de que las energías libres tanto del GeSbTe amorfo como del cristalino tienen que ser aproximadamente de la misma magnitud, A partir de simulaciones de la teoría funcional de la densidad [11] se planteó la hipótesis de que el estado amorfo más estable era la estructura de espinela , donde Ge ocupa posiciones tetraédricas y Sb y Te ocupan posiciones octaédricas, ya que la energía del estado fundamental era la más baja de todas las configuraciones posibles. Mediante simulaciones de dinámica molecular de Car-Parrinello se ha confirmado teóricamente esta conjetura. [12]
Otro material similar es AgInSbTe . Ofrece una mayor densidad lineal, pero tiene ciclos de sobrescritura más bajos en 1-2 órdenes de magnitud. Se utiliza en formatos de grabación de solo ritmo, a menudo en CD regrabables . AgInSbTe se conoce como un material dominado por el crecimiento, mientras que GeSbTe se conoce como un material dominado por la nucleación. En GeSbTe, el proceso de nucleación y cristalización es largo y se forman muchos núcleos cristalinos pequeños antes de un breve proceso de crecimiento en el que se unen numerosos cristales pequeños. En AgInSbTe, solo se forman unos pocos núcleos en la etapa de nucleación y estos núcleos crecen en la etapa de crecimiento más larga, de modo que eventualmente forman un cristal. [13]
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