Прояснён механизм работы памяти с изменением фазового состояния

Дмитрий Сафин

Физики из Пенсильванского университета (США) проследили за тем, как изменяется внутренняя структура элемента памяти на фазовых переходах (PCM) при его переключении.

PCM считается одним из наиболее перспективных «универсальных» видов памяти: она энергонезависима, выдерживает большое число циклов перезаписи, имеет довольно высокую скорость доступа и малое энергопотребление. Для кодирования и хранения информации в PCM-элементе используются разные значения отражательной способности или (гораздо чаще) электрического сопротивления, отвечающие аморфному и кристаллическому состояниям какого-либо материала. Переключать состояния помогают оптические или электрические импульсы: короткие с большой амплитудой обеспечивают аморфизацию, а длительные с меньшей амплитудой — кристаллизацию.

Принято считать, что подача высокоамплитудного импульса с малой длительностью вызывает плавление материала, а последующее охлаждение фиксирует полученное беспорядочное расположение атомов. Такое теоретическое описание казалось абсолютно логичным, но его всё равно необходимо было проверить экспериментально. Поскольку сделать это в опытах с традиционными PCM-элементами, построенными на основе поликристаллических тонких плёнок с небольшими (10–20 нм) зёрнами, не удавалось, американцы решили работать с монокристаллическими нанопроводами. Они изготавливались из самого распространённого PCM-материала Ge₂Sb₂Te₅, обозначаемого как GST, и исследовались под просвечивающим электронным микроскопом.

Подавая импульсы напряжения с постепенно возрастающей амплитудой, авторы следили за тем, как это отразится на сопротивлении PCM-элемента, и отмечали момент перехода в аморфное состояние. В результате выяснилось, что аморфизации и резкому росту сопротивления предшествует его незначительное снижение, наблюдаемое в исходном кристаллическом состоянии GST. Величина напряжения, при подаче которого сопротивление начинало падать, зависела от толщины нанопровода и длительности импульса.

GST-нанопровод под просвечивающим электронным микроскопом (масштабные полоски — 100 нм). В середине толщина провода намеренно уменьшена, чтобы дислокации накапливались именно на этом участке. На верхней последовательности фотографий изначально равномерно чёрное изображение нанопровода меняется при подаче импульсов, обнаруживая чёткую светлую — аморфную — полосу. Снизу показан нанопровод, снятый в тот момент, когда сопротивление принимает наименьшее значение перед резким увеличением и аморфизацией. «Облако» дислокаций находится в нижней части снимка. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Science.)

Рассматривая микрофотографии, физики соотнесли обнаруженные изменения электрических параметров нанопровода с перестройкой его структуры. Как оказалось, нагрев, вызванный приходом импульсов достаточно большой амплитуды, приводит к образованию вакансий (точечных дефектов кристалла), при конденсации которых появляются линейные дефекты — дислокации. Последние начинают двигаться вдоль нанопровода, встречая и поглощая новые вакансии и уменьшая вероятность рассеяния носителей заряда (снижая сопротивление). Однако подобные одномерные перемещения дефектов всегда нестабильны, и на каком-то отрезке нанопровода вскоре возникает «затор». В итоге падение сопротивления прекращается, дислокации скапливаются в труднопроходимой области, в объёме кристаллического материала создаётся участок с высокой степенью неупорядоченности, а за этим следует аморфизация.

Такой механизм перехода в аморфное состояние явно отличается от упомянутого выше плавления, которое должно было бы начинаться на поверхности нанопровода и со временем разделять его на аморфную оболочку и кристаллическую сердцевину. В экспериментах аморфным, напротив, становился совсем небольшой участок провода, охватывающий всё поперечное сечение.

Вероятно, механизм, схожий с исследованным, действует и в поликристаллических тонкоплёночных устройствах: межзёренные границы вполне могут рассматриваться как сети дислокаций.

Схема аморфизации GST-нанопровода.

Результаты экспериментов с нанопроводами из GST авторы изложили в статье, опубликованной в Science. В том же номере журнала можно найти отчёт физиков из Великобритании и Сингапура, продемонстрировавших рекордно быструю PCM-память. Как мы сегодня уже сообщали, время кристаллизации, измеряемое по длительности управляющего импульса на уровне половины амплитуды, британо-сингапурской группе, работавшей с традиционным PCM-элементом на основе GST, удалось довести до 500 пс.

Снижение требуемой длительности импульса физики связывают с предварительной «обработкой» материала слабым электрическим полем. Вызванное включением этого поля повышение температуры на ~100 К не инициирует нуклеацию (первый этап кристаллизации, образование небольших упорядоченных зародышей), но способствует общему упорядочению структуры и образованию кластеров в аморфной матрице. В результате число относительно больших кластеров увеличивается, а вслед за этим возрастает и вероятность успешной нуклеации и роста кристаллических зародышей при подаче управляющего импульса.

Перегруппировка атомов во время фазового перехода. Сверху показан обычный переход, снизу — «быстрый» переход с предварительным включением слабого поля.

Подготовлено по материалам Chemistry World.

Вернуться назад