El GeSbTe ( germanio-antimonio-telurio o GST ) es un material de cambio de fase del grupo de los vidrios calcogenuros que se utilizan 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 una capacidad de sobrescritura directa de hasta 106 ciclos. Es adecuado para formatos de grabación con ranuras de contacto. Se utiliza a menudo en DVD regrabables . Es posible crear nuevas memorias de cambio de fase utilizando semiconductores GeSbTe dopados con 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 con una 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) 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 se pueden registrar como puntos oscuros en el fondo cristalino. Recientemente, se desarrollaron nuevos precursores de organogermanio líquido , como el isobutilgermano [1] [2] [3] (IBGe) y el tetrakis(dimetilamino)germano [4] [5] (TDMAGe) y se utilizaron junto con los metalorgánicos de antimonio y telurio , como el tris-dimetilamino antimonio (TDMASb) y el di-isopropiltelururo (DIPTe) respectivamente, para hacer crecer GeSbTe y otras películas de calcogenuro de muy alta pureza mediante deposición química en fase de vapor metalorgánico (MOCVD). El tricloruro de dimetilamino germanio [6] (DMAGeC) también se informa como el precursor de dimetilaminogermanio que contiene cloruro y superior 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 pseudo-línea como se muestra sobre la cual se encuentran la mayoría de las aleaciones. Moviéndonos hacia abajo por esta pseudo-línea, 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 tasa de transferencia de datos, necesitamos usar 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: hexagonal y una red cúbica centrada en las caras (FCC) metaestable . Sin embargo, cuando se cristaliza rápidamente, se encontró que tiene una estructura de sal de roca distorsionada . GeSbTe tiene una temperatura de transición vítrea de alrededor de 100 °C. [7] GeSbTe también tiene muchos defectos de vacantes en la red, del 20 al 25% dependiendo del compuesto específico de GeSbTe. Por lo tanto, Te tiene un par solitario adicional de electrones, que son importantes para muchas de las características de GeSbTe. Los defectos cristalinos también son comunes en GeSbTe y debido a estos defectos, se forma una cola de Urbach en la estructura de banda en estos compuestos. GeSbTe es generalmente de tipo p y hay muchos estados electrónicos en la brecha de banda que explican las trampas de tipo aceptor y donador. GeSbTe tiene dos estados estables, cristalino y amorfo. El mecanismo de cambio de fase de fase amorfa de alta resistencia a fase cristalina de baja resistencia en escala de tiempo nanométrica y el cambio de umbral son dos de las características más importantes de 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 se enfría, cambiando entre estados amorfos y cristalinos estables. Estas aleaciones tienen una 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 la 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 de alta amplitud de manera 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 como corriente RESET y el uso de un pulso eléctrico relativamente más largo y de baja amplitud de manera que el material alcance solo el punto de cristalización y se le dé tiempo para cristalizar, lo que permite el cambio de fase de amorfo a cristalino, se conoce como corriente SET.
Los primeros dispositivos eran lentos, consumían mucha energía y se estropeaban fácilmente debido a las grandes corrientes. Por lo tanto, no tuvieron éxito cuando la memoria SRAM y la memoria flash tomaron el relevo. Sin embargo, en la década de 1980, el descubrimiento del germanio-antimonio-telurio (GeSbTe) significó que la memoria de cambio de fase necesitaba ahora menos tiempo y energía para funcionar. Esto dio lugar al 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 es mucho menor, ya 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-escritura, lectura no destructiva, sobrescritura directa y 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 de acceso aleatorio magnético (MRAM) es la ventaja de escalabilidad única de tener un mejor rendimiento con tamaños más pequeños. El límite al que se puede escalar la memoria de cambio de fase está, por lo tanto, limitado por la litografía al menos hasta 45 nm. Por lo tanto, ofrece el mayor potencial para lograr celdas de densidad de memoria ultraalta que se puedan comercializar.
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 activación 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 requisito de corriente. Por lo tanto, la ventaja de escalamiento única de la memoria de cambio de fase no se puede aprovechar 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. La constante de tiempo térmica del dispositivo también es importante. La constante de tiempo térmica debe ser lo suficientemente rápida para que el GeSbTe se enfríe rápidamente hasta el estado amorfo durante el REINICIO, pero lo suficientemente lenta para permitir que se produzca la cristalización durante el estado SET. La constante de tiempo térmica depende del diseño y del material de 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 el GeSbTe pasa de un estado de alta resistencia a un estado conductor en el campo de umbral de aproximadamente 56 V/um. [8] Esto se puede ver en el gráfico de 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 de voltaje . El material está ahora en el estado amorfo "ON", donde el material todavía es amorfo, pero en un estado eléctrico pseudocristalino. En estado cristalino, las características de IV son óhmicas . Se había debatido si la conmutación de 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 de materiales de cambio de fase en un intento de explicar el cambio de fase a alta velocidad de GeSbTe. Utilizando EXAFS , se encontró que el modelo más coincidente para GeSbTe cristalino es una red de sal de roca distorsionada y para amorfo una estructura tetraédrica. El pequeño cambio en la configuración de sal de roca distorsionada a tetraédrica sugiere que el cambio de fase a escala nanométrica es posible [10] ya que los enlaces covalentes principales están intactos y solo los enlaces más débiles están rotos.
Utilizando las estructuras locales más cristalinas y amorfas posibles para GeSbTe, el hecho de que la densidad del GeSbTe cristalino es menos del 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, se planteó la hipótesis a partir de simulaciones de la teoría del funcional de la densidad [11] 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, esta conjetura se ha confirmado teóricamente. [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 ranura, 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 de la cristalización es largo y se forman muchos núcleos cristalinos pequeños antes de un proceso de crecimiento corto donde se unen los numerosos cristales pequeños. En AgInSbTe, solo se forman unos pocos núcleos en la etapa de nucleación y estos núcleos crecen más en la etapa de crecimiento más larga, de modo que finalmente forman un cristal. [13]
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