Электронно-тепловая модель эффектов переключения и памяти, основанная на многофононной туннельной ионизации U-минус центров в халькогенидных стеклообразных полупроводниках

• Автор: Богословский, Никита Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор литературы
1.1 Эффекты переключения и памяти
1.1.1 Введение
1.1.2 Экспериментальные характеристики эффекта переключения
1.1.3 Память с изменяемым фазовым состоянием
1.2 Структура материалов системы Се8ЬТе
1.2.1 Введение
1.2.2 Структура кристаллической фазы СегБЬгТсз
1.2.3 Структура аморфной фазы Сег8Ь2Те5
1.2.4 Зонная структура СегЗЬгТез
1.3 Электрические свойства халькогенидных стеклообразных полупроводников в слабом электрическом поле
1.3.1 Нелегируемость
1.3.2 Локализованные состояния
1.3.3 Состояния с отрицательной корреляционной энергией электронов
1.4 Нелинейность вольтамперной характеристики в сильном электрическом поле
1.5 Модели эффекта переключения
1.5.1 Тепловая модель
1.5.2 Феноменологическая электронно-тепловая модель
1.5.3 Электронные модели
1.5.4 Модель, основанная на ударной ионизации в структуре с П-мипус
центрами
1.5.5 Модель, основанная на прыжковой проводимости но локализованным
состояниям
1.5.6 Модель нуклеации
1.5.7 Заключение
1.6 Постановка задачи
2 Модель нелинейности ВАХ и эффекта переключения
2.1 Вычисление вероятности термостимулированной туннельной ионизации и-минус центров
2.2 Сечение захвата электронов на ионизованный центр

2.3 Ионизация нейтрального центра в электрическом поле
2.4 Ионизация притягивающего центра в электрическом поле
2.5 Проводимость тонкой пленки ХСП
2.6 Выводы к главе
3 Анализ модели
3.1 Зависимость вольтамперной характеристики от параметров
3.2 Область существования 8-образной вольтамперной характеристики
3.3 Выводы к главе
4 Сравнение с экспериментальными данными
4.1 Нелинейность вольтамперной характеристики
4.2 Пороговые параметры
4.3 Время задержки
4.4 Выводы к главе
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Актуальность темы. В настоящее время ведущие мировые производители элементов памяти активно разрабатывают технологию памяти с изменяемым фазовым состоянием, в основе которой лежит фазовый переход халькогенидное стекло - кристалл. По сравнению с наиболее распространенной сегодня флэш-памятыо, память с изменяемым фазовым состоянием имеет значительно более высокую скорость записи, выдерживает приблизительно в 10 тысяч раз больше циклов перезаписи и потенциально может иметь более высокую плотность записи информации.
Запись информации в памяти с изменяемым фазовым состоянием происходит на фоне сильной нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) и эффекта переключения, который заключается в том, что тонкая пленка халькогенидного стеклообразного полупроводника в сильном электрическом ноле скачком переходит из состояния с высоким сопротивлением в проводящее состояние. Эффект переключения также используется в электронных переключателях, для которых характерны высокая плотность тока в открытом состоянии и высокая скорость переключения.
Нелинейность ВАХ халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП) и эффект переключения впервые наблюдались в начале 1960-х годов, однако механизм нелинейности вольтамперных характеристик халькогенидов, а также физика эффекта переключения остаются неизвестными до настоящего времени. Были предложены различные модели эффекта переключения, однако ни одна из моделей не может описать всю совокупность экспериментальных характеристик эффекта переключения, а следовательно, не может претендовать на целостное описание процессов, происходящих при переключении. Очевидно, что понимание механизмов нелинейной проводимости халькогенидов в сильных электрических полях и эффекта переключения может сделать существенный вклад в физику неупорядоченных полупроводников. Кроме того понимание происходящих при записи процессов необходимо для разработки элементов памяти с изменяемым фазовым состоянием и переключателей на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников, а также численного моделирования их характеристик.
В слабых электрических полях халькогенидные стеклообразные полупроводники демонстрируют ряд уникальных свойств, а именно нелегируемость, проводимость с энергией активации порядка половины ширины запрещенной зоны и отсутствие парамагнетизма. Для объяснения этих свойств Андерсоном была предложена модель

Температура, К
Рис. 1.19. Зависимость величины Ко/7'о от То-Температура перехода Т* указана около кривых. Ко = /'о 7-
В этом выражении а описывает затухание волновой функции локализованного состояния, Я - расстояние между локализованными состояниями, К - величина электрического поля, И7-расстояние по энергии между уровнями локализованных состояний.
Аналогичное выражение для плотности тока термостимулированной прыжковой проводимости по локализованным состояниям было получено в работе Иелмини [78]. Однако предположение о существовании в ХСП значительной концентрации локализованных состояний вблизи уровня Ферми не согласуется со многими экспериментальными данными. Так при низких температурах величина прыжковой проводимости зависит от температуры как Т1/4 [77], также в ХСП не наблюдается фотопроводимости с энергией порядка половины ширины запрещенной зоны и сигнала электронного парамагнитного резонанса. Поэтому нелинейность вольтамперной характеристики ХСП, скорее всего, не связана с прыжковой проводимостью по локализованным состояниям.
В работе Лебедева и Рогачева [79] было сделано предположение о том, что электрическое поле может уменьшать энергию локализованных состояний, расположенных в запрещенной зоне. В результате мелкие состояния делокализуются и уменьшается ширина запрещенной зоны по подвижности. Показано, что в электрическом