Исследование процессов кристаллизации и аморфизации тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5 под воздействием импульсного наносекундного лазерного излучения
|
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Современные и перспективные виды оптической памяти 11
1.1.1 Г олографическая память 12
1.1.2 Многослойная флуоресцентная память 15
1.1.3 Память с изменением фазового состояния 16
1.2 Принцип записи информации в DVD-RW и Blue-Ray дисках 16
1.3 Применение материалов системы Ge-Sb-Te в устройствах интегральной
оптики 21
1.3.1 Оптическая память с использованием тонкопленочного волновода 22
1.3.2 Кольцевые микрорезонаторы 26
1.3.3 Плазмонные волноводы 29
1.4 Свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 32
1.4.1 Структурные свойства 33
1.4.2 Оптические свойства 36
1.4.3 Электрофизические свойства 36
1.5 Обоснование актуальности научно-исследовательской работы, цели
исследования и сформированных задач 38
Выводы по главе 1 44
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 45
2.1 Технология получения тонких пленок Ge2Sb2Te5 46
2.2 Методы исследования поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 48
2.3 Методы исследования состава и структуры тонких пленок Ge2Sb2Te5 51
2.4 Методика проведения in-situ измерений температурных зависимостей спектров комбинационного рассеяния света и удельного сопротивления тонких
пленок Ge2Sb2Te5 55
2.5 Методика проведения исследований влияния импульсного наносекундного
лазерного излучения на тонкие пленки Ge2Sb2Te5 59
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 62
3.1 Исследование температурных зависимостей спектров комбинационного рассеяния света и электрофизических параметров тонких пленок Ge2Sb2Te5 в
режиме in-situ изменения температуры 63
3.2 Исследование структуры исходных и термически обработанных тонких
пленок Ge2Sb2Te5 68
3.3 Анализ и разложение спектров комбинационного рассеяния света исходных
аморфных и термически обработанных тонких пленок Ge2Sb2Te5 71
3.4 Исследование влияния импульсного наносекундного лазерного излучения
на морфологию поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 73
3.5 Исследование влияния импульсного наносекундного лазерного излучения
на процессы кристаллизации и аморфизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 77
3.6 Обсуждение полученных результатов и рекомендации по дальнейшему
исследованию влияния лазерного излучения на процессы кристаллизации и аморфизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 85
Выводы по главе 3 87
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 89
ЛИТЕРАТУРА 93
ПРИЛОЖЕНИЯ 99
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Современные и перспективные виды оптической памяти 11
1.1.1 Г олографическая память 12
1.1.2 Многослойная флуоресцентная память 15
1.1.3 Память с изменением фазового состояния 16
1.2 Принцип записи информации в DVD-RW и Blue-Ray дисках 16
1.3 Применение материалов системы Ge-Sb-Te в устройствах интегральной
оптики 21
1.3.1 Оптическая память с использованием тонкопленочного волновода 22
1.3.2 Кольцевые микрорезонаторы 26
1.3.3 Плазмонные волноводы 29
1.4 Свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5 32
1.4.1 Структурные свойства 33
1.4.2 Оптические свойства 36
1.4.3 Электрофизические свойства 36
1.5 Обоснование актуальности научно-исследовательской работы, цели
исследования и сформированных задач 38
Выводы по главе 1 44
ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 45
2.1 Технология получения тонких пленок Ge2Sb2Te5 46
2.2 Методы исследования поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 48
2.3 Методы исследования состава и структуры тонких пленок Ge2Sb2Te5 51
2.4 Методика проведения in-situ измерений температурных зависимостей спектров комбинационного рассеяния света и удельного сопротивления тонких
пленок Ge2Sb2Te5 55
2.5 Методика проведения исследований влияния импульсного наносекундного
лазерного излучения на тонкие пленки Ge2Sb2Te5 59
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 62
3.1 Исследование температурных зависимостей спектров комбинационного рассеяния света и электрофизических параметров тонких пленок Ge2Sb2Te5 в
режиме in-situ изменения температуры 63
3.2 Исследование структуры исходных и термически обработанных тонких
пленок Ge2Sb2Te5 68
3.3 Анализ и разложение спектров комбинационного рассеяния света исходных
аморфных и термически обработанных тонких пленок Ge2Sb2Te5 71
3.4 Исследование влияния импульсного наносекундного лазерного излучения
на морфологию поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5 73
3.5 Исследование влияния импульсного наносекундного лазерного излучения
на процессы кристаллизации и аморфизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 77
3.6 Обсуждение полученных результатов и рекомендации по дальнейшему
исследованию влияния лазерного излучения на процессы кристаллизации и аморфизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 85
Выводы по главе 3 87
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 89
ЛИТЕРАТУРА 93
ПРИЛОЖЕНИЯ 99
Стремительное развитие крупных центров обработки информации, рынка хранения данных и глобальных интернет-сетей формирует высокий спрос на принципиально новые устройства передачи и хранения данных и предъявляет повышенные требования к скоростям обработки информации и к способам ее размещения [1].
Передовые современные процессоры содержат ~ 1014 транзисторов размером не более 14 нм и выполняют 1017 оп/с. При дальнейшем уменьшении топологических норм и геометрических размеров, с целью наращивания производительности, увеличивается время задержек RC-цепи и начинают проявляться квантово-размерные эффекты. Кроме того, на быстродействие процессоров и пропускную способность электронных устройств оказывает влияние ограничение фон Неймана, исключить которое пока не представляется возможным [2].
В 2015 году ученые из США продемонстрировали прототип оптоэлектронной схемы, в которой передача данных осуществляется лазерным излучением, однако из-за оптоэлектронных преобразований, возникающих вследствие интеграции оптических и электрических элементов, реальная производительность таких систем снижается [3]. Возникает необходимость в создании полностью оптической системы, в которой отмеченные преобразования будут сведены к минимуму.
Полностью оптическая память может быть реализована на основе материала фазовой памяти (РСМ) Ge2Sb2Te5, активно применяющегося для разработки и создания оптических устройств хранения информации. В данном материала под действием низкоэнергетического лазерного излучения протекают обратимые фазовые переходы, которые происходят за наносекундное время и сопровождаются существенным изменением оптических свойств.
На сегодняшний день самым распространенным и единственным коммерчески успешно реализуемым видом оптической фазовой памяти являются оптические перезаписываемые диски форматов DVD-RW/HD и Blu-ray, однако возможности этого вида памяти ограничены: несмотря на всевозможные технологические решения, максимальная скорость передачи данных в оптических дисках ограничена скоростью вращения привода и составляет ~432 Мбит/с, в то время, как пропускная способность
полностью оптического элемента памяти теоретически ограничивается только скоростью распространения света в материале тонкопленочного волновода и частотой генерации оптического сигнала [2].
Несмотря на широкое применение материалов РСМ для создания элементов оптической памяти, оптимальные условия для протекания фазовых переходов вследствие воздействия импульсным лазерным излучением до сих пор не установлены. В литературных данных существуют разногласия в отношении оптимальной плотности лазерного излучения и минимальной длительности лазерного импульса, посредством которых может быть инициирован фазовый переход, не ясен механизм протекания фазовых переходов - кристаллизации и аморфизации [4].
Сегодня передовые достижения в областях наноэлектроники и нанофотоники открывают широкие возможности для различных разработок в области интегральных оптических запоминающих устройств, однако описанные фундаментальные проблемы препятствуют оптимизации параметров и дальнейшему развитию технологии создания устройств оптической фазовой памяти. Поэтому данная технология требует более детального изучения и представляет большой интерес для проведения дальнейших исследовательских работ не только с научной, но и с практической точки зрения.
В связи с этим, целью данной работы является исследование особенностей процессов кристаллизации и аморфизации тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5 под воздействием импульсного наносекундного лазерного излучения. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-практических задач и определить степень влияния импульсного наносекундного лазерного излучения на морфологию поверхности, структурные особенности и оптоэлектронные свойства исследуемых тонких пленок. Анализ и обсуждение полученных экспериментальных результатов приведены в разделах 1-3 данной научно-исследовательской работы.
Проведенные исследования могут использоваться для оптимизации технологии создания быстродействующих энергонезависимых оптических элементов фазовой памяти. На основе данной технологии в рамках проекта «НТИ «Сенсорика», реализуемого в НИУ «МИЭТ», могут быть спроектированы и внедрены в производство цифровые сенсорные системы. Сенсорные системы с оптическими элементами фазовой памяти обеспечат более высокие скорости обработки и передачи сигнала в передовых сенсорных устройствах.
Передовые современные процессоры содержат ~ 1014 транзисторов размером не более 14 нм и выполняют 1017 оп/с. При дальнейшем уменьшении топологических норм и геометрических размеров, с целью наращивания производительности, увеличивается время задержек RC-цепи и начинают проявляться квантово-размерные эффекты. Кроме того, на быстродействие процессоров и пропускную способность электронных устройств оказывает влияние ограничение фон Неймана, исключить которое пока не представляется возможным [2].
В 2015 году ученые из США продемонстрировали прототип оптоэлектронной схемы, в которой передача данных осуществляется лазерным излучением, однако из-за оптоэлектронных преобразований, возникающих вследствие интеграции оптических и электрических элементов, реальная производительность таких систем снижается [3]. Возникает необходимость в создании полностью оптической системы, в которой отмеченные преобразования будут сведены к минимуму.
Полностью оптическая память может быть реализована на основе материала фазовой памяти (РСМ) Ge2Sb2Te5, активно применяющегося для разработки и создания оптических устройств хранения информации. В данном материала под действием низкоэнергетического лазерного излучения протекают обратимые фазовые переходы, которые происходят за наносекундное время и сопровождаются существенным изменением оптических свойств.
На сегодняшний день самым распространенным и единственным коммерчески успешно реализуемым видом оптической фазовой памяти являются оптические перезаписываемые диски форматов DVD-RW/HD и Blu-ray, однако возможности этого вида памяти ограничены: несмотря на всевозможные технологические решения, максимальная скорость передачи данных в оптических дисках ограничена скоростью вращения привода и составляет ~432 Мбит/с, в то время, как пропускная способность
полностью оптического элемента памяти теоретически ограничивается только скоростью распространения света в материале тонкопленочного волновода и частотой генерации оптического сигнала [2].
Несмотря на широкое применение материалов РСМ для создания элементов оптической памяти, оптимальные условия для протекания фазовых переходов вследствие воздействия импульсным лазерным излучением до сих пор не установлены. В литературных данных существуют разногласия в отношении оптимальной плотности лазерного излучения и минимальной длительности лазерного импульса, посредством которых может быть инициирован фазовый переход, не ясен механизм протекания фазовых переходов - кристаллизации и аморфизации [4].
Сегодня передовые достижения в областях наноэлектроники и нанофотоники открывают широкие возможности для различных разработок в области интегральных оптических запоминающих устройств, однако описанные фундаментальные проблемы препятствуют оптимизации параметров и дальнейшему развитию технологии создания устройств оптической фазовой памяти. Поэтому данная технология требует более детального изучения и представляет большой интерес для проведения дальнейших исследовательских работ не только с научной, но и с практической точки зрения.
В связи с этим, целью данной работы является исследование особенностей процессов кристаллизации и аморфизации тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5 под воздействием импульсного наносекундного лазерного излучения. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-практических задач и определить степень влияния импульсного наносекундного лазерного излучения на морфологию поверхности, структурные особенности и оптоэлектронные свойства исследуемых тонких пленок. Анализ и обсуждение полученных экспериментальных результатов приведены в разделах 1-3 данной научно-исследовательской работы.
Проведенные исследования могут использоваться для оптимизации технологии создания быстродействующих энергонезависимых оптических элементов фазовой памяти. На основе данной технологии в рамках проекта «НТИ «Сенсорика», реализуемого в НИУ «МИЭТ», могут быть спроектированы и внедрены в производство цифровые сенсорные системы. Сенсорные системы с оптическими элементами фазовой памяти обеспечат более высокие скорости обработки и передачи сигнала в передовых сенсорных устройствах.
1. В работе рассмотрены современные и перспективные виды оптической памяти (голографическая, флуоресцентная и память на основе фазовых переходов) и проанализированы основные особенности применения оптических технологий в процессах хранения, обработки и записи информации, их достоинства и недостатки.
2. На основе тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5 создаются и разрабатываются различные интегральные оптические устройства. В данной работе рассмотрено применение Ge2Sb2Te5 в качестве активного слоя энергонезависимого оптического элемента памяти в таких устройствах интегральной оптики, как плазмонные и оптические тонкопленочные волноводы и кольцевые микрорезонаторы.
3. В тонких пленках Ge2Sb2Te5 под воздействием низкоэнергетического лазерного излучения протекают фазовые превращения, которые сопровождаются существенным изменением оптических и электрических свойств. В данной работе большое внимание уделялось исследованию процессов кристаллизации и аморфизации, инициированных импульсным лазерным излучением, и влиянию данного излучения на изменение отражательной способности исследуемого материала.
4. Исходные аморфные и термически обработанные (fcc-структура) тонкие
пленки Ge2Sb2Te5 исследовались методом КРС. Анализ и расшифровка КРС-спектров позволили выявить 5 пиков, которые соответствуют колебаниям основных структурных единиц: GeTe4 и Sb2Te3. Установлено, что при переходе из аморфного состояния в кристаллическое колебания структурных единиц A2ig моды SbTe3/2 (~ 150 см-1) и F2 моды тетраэдров GeTe4 (~ 220 см-1) не изменяют своего положения, в то время, как колебания А1 моды тетраэдров GeTe4, сдвигаются влево (в аморфной пленке: ~ 125 см-1; в
кристаллической: ~ 105 см-1), что связано с подавлением колебаний тетраэдров GeTe4 в процессе формирования кристаллической структуры. Экспериментальные спектры исходных аморфных пленок идентичны спектрам, опубликованным в литературных источниках.
5. На основании результатов сравнения температурных зависимостей удельного сопротивления и спектров КРС тонких пленок Ge2Sb2Te5 сформулированы особенности процессов кристаллизации аморфных пленок вследствие термообработки. Установлено, что фазовый переход сопровождается изменением удельного
сопротивления с 300 до 0,1 Ом-см, а температурные диапазоны кристаллизации, определённые по температурным зависимостям КРС и удельного сопротивления, лежат в интервалах 160 + 210оС и 160 + 180оС соответственно
6. Сделан вывод, согласно которому несовпадение интервалов изменения удельного сопротивления и изменения спектров КРС свидетельствует о многостадийности процесса кристаллизации.
7. Предложено качественное объяснение многостадийности кристаллизации в тонких пленках Ge2Sb2Te5 вследствие термического нагрева. Предполагается, что во время процесса кристаллизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 вследствие термообработки при достижении температуры кристаллизации зародышеобразование может происходить в объеме пленки и/или на границе раздела «пленка-подложка»
8. Воздействие на поверхность тонких пленок Ge2Sb2Te5 импульсным лазерным излучением длительностью т = 16 нс с длиной волны X = 532 нм и энергией 12,22 < Jmax < 14,62 мкДж приводит к изменению коэффициента отражения исследуемой тонкой пленки. Изучение поверхности тонкой пленки Ge2Sb2Te5 после облучения Jmax > 14,62 мкДж методами профилометрии и РЭМ совместно с EDX-картированием выявили, что данный режим облучения приводит к абляции тонкой пленки и испарению Ge2Sb2Te5 с подложки.
9. Воздействие импульсным лазерным излучением в диапазоне от
12,22 < Jmax < 14,62 мкДж приводит к кристаллизации аморфных тонких пленок
Ge2Sb2Te5. Данное заключение сделано на основании результатов сравнения формы спектров КРС, полученных от облученных областей с отличным от исходной аморфной пленки коэффициентом отражения со спектрами, полученными от термически обработанных пленок Ge2Sb2Te5. Воздействие серией единичных импульсов (N = 2 + 6) с плотностью энергии J = 40,1 + 90,4 мДж/см2 инициирует фазовые превращения из кристаллического состояния в аморфное. В результате такого воздействия на поверхности пленки образуются области тороидальной формы с аморфной структурой в центре и кристаллической по краям.
10. С ростом количества импульсов N и плотности энергии J площадь закристаллизованной области закономерно увеличивается, в то время, как область реаморфизации уменьшаться, вплоть до полного исчезновения. Исходя из полученных данных, выдвинуто предположение, что вследствие локального термического разогрева в центре облучения, где энергия падающего излучения максимальна, происходит плавление материала, который после прекращения лазерного воздействия быстро переходит в твердую фазу с аморфной структурой. Данное предположение подтверждается результатами спектроскопии КРС и АСМ.
11. Результаты, полученные и проанализированные в данной научно-исследовательской работе, носят не только научный, но и прикладной характер и могут быть использованы для оптимизации технологии создания элементов оптической фазовой памяти в интегральных оптических устройствах.
2. На основе тонких пленок материала фазовой памяти Ge2Sb2Te5 создаются и разрабатываются различные интегральные оптические устройства. В данной работе рассмотрено применение Ge2Sb2Te5 в качестве активного слоя энергонезависимого оптического элемента памяти в таких устройствах интегральной оптики, как плазмонные и оптические тонкопленочные волноводы и кольцевые микрорезонаторы.
3. В тонких пленках Ge2Sb2Te5 под воздействием низкоэнергетического лазерного излучения протекают фазовые превращения, которые сопровождаются существенным изменением оптических и электрических свойств. В данной работе большое внимание уделялось исследованию процессов кристаллизации и аморфизации, инициированных импульсным лазерным излучением, и влиянию данного излучения на изменение отражательной способности исследуемого материала.
4. Исходные аморфные и термически обработанные (fcc-структура) тонкие
пленки Ge2Sb2Te5 исследовались методом КРС. Анализ и расшифровка КРС-спектров позволили выявить 5 пиков, которые соответствуют колебаниям основных структурных единиц: GeTe4 и Sb2Te3. Установлено, что при переходе из аморфного состояния в кристаллическое колебания структурных единиц A2ig моды SbTe3/2 (~ 150 см-1) и F2 моды тетраэдров GeTe4 (~ 220 см-1) не изменяют своего положения, в то время, как колебания А1 моды тетраэдров GeTe4, сдвигаются влево (в аморфной пленке: ~ 125 см-1; в
кристаллической: ~ 105 см-1), что связано с подавлением колебаний тетраэдров GeTe4 в процессе формирования кристаллической структуры. Экспериментальные спектры исходных аморфных пленок идентичны спектрам, опубликованным в литературных источниках.
5. На основании результатов сравнения температурных зависимостей удельного сопротивления и спектров КРС тонких пленок Ge2Sb2Te5 сформулированы особенности процессов кристаллизации аморфных пленок вследствие термообработки. Установлено, что фазовый переход сопровождается изменением удельного
сопротивления с 300 до 0,1 Ом-см, а температурные диапазоны кристаллизации, определённые по температурным зависимостям КРС и удельного сопротивления, лежат в интервалах 160 + 210оС и 160 + 180оС соответственно
6. Сделан вывод, согласно которому несовпадение интервалов изменения удельного сопротивления и изменения спектров КРС свидетельствует о многостадийности процесса кристаллизации.
7. Предложено качественное объяснение многостадийности кристаллизации в тонких пленках Ge2Sb2Te5 вследствие термического нагрева. Предполагается, что во время процесса кристаллизации тонких пленок Ge2Sb2Te5 вследствие термообработки при достижении температуры кристаллизации зародышеобразование может происходить в объеме пленки и/или на границе раздела «пленка-подложка»
8. Воздействие на поверхность тонких пленок Ge2Sb2Te5 импульсным лазерным излучением длительностью т = 16 нс с длиной волны X = 532 нм и энергией 12,22 < Jmax < 14,62 мкДж приводит к изменению коэффициента отражения исследуемой тонкой пленки. Изучение поверхности тонкой пленки Ge2Sb2Te5 после облучения Jmax > 14,62 мкДж методами профилометрии и РЭМ совместно с EDX-картированием выявили, что данный режим облучения приводит к абляции тонкой пленки и испарению Ge2Sb2Te5 с подложки.
9. Воздействие импульсным лазерным излучением в диапазоне от
12,22 < Jmax < 14,62 мкДж приводит к кристаллизации аморфных тонких пленок
Ge2Sb2Te5. Данное заключение сделано на основании результатов сравнения формы спектров КРС, полученных от облученных областей с отличным от исходной аморфной пленки коэффициентом отражения со спектрами, полученными от термически обработанных пленок Ge2Sb2Te5. Воздействие серией единичных импульсов (N = 2 + 6) с плотностью энергии J = 40,1 + 90,4 мДж/см2 инициирует фазовые превращения из кристаллического состояния в аморфное. В результате такого воздействия на поверхности пленки образуются области тороидальной формы с аморфной структурой в центре и кристаллической по краям.
10. С ростом количества импульсов N и плотности энергии J площадь закристаллизованной области закономерно увеличивается, в то время, как область реаморфизации уменьшаться, вплоть до полного исчезновения. Исходя из полученных данных, выдвинуто предположение, что вследствие локального термического разогрева в центре облучения, где энергия падающего излучения максимальна, происходит плавление материала, который после прекращения лазерного воздействия быстро переходит в твердую фазу с аморфной структурой. Данное предположение подтверждается результатами спектроскопии КРС и АСМ.
11. Результаты, полученные и проанализированные в данной научно-исследовательской работе, носят не только научный, но и прикладной характер и могут быть использованы для оптимизации технологии создания элементов оптической фазовой памяти в интегральных оптических устройствах.