Материал: Халькогенидные материалы: технология производства и границы применения

По способу передачи энергии, необходимой для процесса испарения вещества, выделяют следующие способы: резистивно-термический, электронно-лучевой, лазерный, электродуговой, другие.

Наиболее распространённым методом получения аморфных тонких пленок материалов системы Ge-Sb-Te является высокочастотное магнетронное распыление. Метод отличается высокой воспроизводимостью осаждаемых тонких пленок по составу и свойствам, что особенно важно на этапе промышленного производства PCM-устройств.

Осаждение осуществляется в специальных вакуумных приборах. Например, используемый в вакуумный универсальный пост ВУП-4К.

Установка состоит из двух стоек: вакуумной и электрической. В вакуумной стойке размещена вакуумная система, система напуска газов, распределительный щиток, электропитание для подогрева подложек, пульт управления. Электрическая стойка состоит из источника ВЧ-напряжения, блоков питания и управления. В подколпачном устройстве смонтирована магнетронная распылительная система, схематическое изображение которой приведено на рисунке.

- магнетронное устройство; 2 - мишень; 3 - подложка; 4 - подложкодержатель; 5 - заслонка; 6 - система напуска; 7 - система откачки; 8 - анод-экран свв.

Схема установки ВЧ магнетронного распыления[2]

2. Применение халькогенидных материалов в современном мире

.1 Области применения халькогенидных материалов

Халькогениды являются исходными материалами для создания методом резистивного или электронно-лучевого испарения прозрачных тонкопленочных интерференционных покрытий, изменяющих и регулирующих оптические свойства деталей из стекла, кварца, монокристаллов.

Основное их применение - изготовление однослойных и многослойных (в качестве компонент высокого преломления) оптических покрытий, охватывающих видимый и инфракрасный диапазоны спектра. Для выполнения просветляющей (антиотражающей) и отражающей функций, в роли интерференционных фильтров, светоделителей, диэлектрических и защитных покрытий в системах оптического приборостроения различного назначения (например, в качестве диэлектрических отражающих покрытий на разные области спектра и в ряде других применений).

Полупроводниковые свойства халькогенидных материалов обуславливают их использование в интерференционной оптике в спектральном диапазоне, соответствующем энергиям, меньшим ширины запрещенной зоны. Характерными признаками являются:

высокое значение показателя преломления;

высокая относительная плотность пленок;

хорошее совмещение стандартного материала оптических покрытий для видимой и инфракрасной областей, каким являются цинксульфид, с другими полупроводниками (получение толстых пленок, обладающих прочностью при работе в инфракрасном диапазоне) и фторидными пленками (повышение эффективности просветления и улучшение эксплуатационных свойств).

Еще одно из применений халькогенидов - это создание phase-changememory - нового типа энергонезависимой памяти - памяти на основе фазового перехода (также известна как PCM, PRAM, PCRAM, OvonicUnifiedMemory, Chalcogenide RAM и C-RAM). PRAM основывается на уникальном поведении халькогенида, который при нагреве может «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным. В последних версиях смогли добавить ещё два дополнительных состояния, эффективно удвоив информационную емкость чипов. PRAM - одна из новых технологий памяти, созданная в попытке превзойти в области энергонезависимой памяти почти универсальную флеш-память, обладающую некоторым количеством практических проблем, решить которые как раз надеялись в PRAM.

Свойства халькогенидов с точки зрения потенциальной технологии памяти впервые были исследованы Стэнфордом Овшинским из компании EnergyConversionDevices в 1960-х.

Кристаллическое и аморфное состояния халькогенида кардинально различаются электрическим сопротивлением, а это лежит в основе хранения информации. Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет 1.

Халькогенид - это тот же самый материал, что используется в перезаписываемых оптических носителях. В таких носителях оптические свойства материала поддаются управлению лучше, чем его электрическое сопротивление, так как показатель преломления халькогенида также меняется в зависимости от состояния материала.

Хотя PRAM пока не достиг коммерческого успеха в области бытовой электроники, почти все прототипы используют халькогениды в сочетании с германием, сурьмой и теллуром, сокращенно именуемыми GST. Стехиометрический состав или коэффициенты элементов Ge: Sb: Te равны 2:2:5. При нагревании GST до высокой температуры его халькогенидная составляющая теряет свою кристаллическую структуру. При остывании она превращается в аморфную стеклоподобную форму, а его электрическое сопротивление возрастает. При нагревании халькогенида до температуры выше его точки кристаллизации, но ниже температуры плавления, он переходит в кристаллическое состояние с существенно более низким сопротивлением. Время полного перехода к этой фазе зависит от температуры. Более холодные части халькогенида дольше кристаллизуются, а перегретые части могут расплавиться. В общем случае, используемое время кристаллизации составляет порядка 100 нс. Это несколько дольше, чем у обычной энергозависимой памяти, как например, современные DRAM-чипы, чье время переключения составляет порядка двух наносекунд. Однако в январе 2006 года корпорация SamsungElectronics запатентовала технологию, свидетельствующую о том, что PRAM может достигать времени переключения в пять наносекунд.

Более поздние исследования Intel и ST Microelectronics позволили контролировать состояние материала более тщательно, позволяя ему превращаться в одно из четырёх состояний: два предыдущих и два новых. Каждое из этих состояний обладает собственными электрическими свойствами, которые могут замеряться при чтении, позволяя одной ячейке хранить два бита, удваивая тем самым плотность памяти.

2.2 Использование халькогенидных стёкол в качестве фоточувствительного материала для голографических методов записи и хранения информации

Халькогенидными называются стекла, в состав кото - рых входят S, Se, Te. В приложениях и экспериментах кроме чистых S, Se, Te наиболее часто используют - ся As2S3, As2Se3, GeS2, GeSe2. Широкое применение находят и стекла более сложного состава. Халько - генидные стекла используются в электрофотографии (ксерографии), для записи оптической информации, в электрических переключателях и запоминающих устрой - ствах. Благодаря прозрачности в инфракрасной области они широко применяются в инфракрасной технике [1]. Важной областью использования этих стекол являются акустооптические модуляторы, ультразвуковые линии задержки и другие акустооптические устройства [1-3]. Эти стекла широко используются для записи различных фазовых картин (решеток), с помощью которых удается менять направление распространения звуковых и световых волн (дефлекторы), отражать волны (брэгговские зеркала), создавать фильтры, осуществлять голографическую запись. В основе применения халькогенидных стекол лежат следующие физические эффекты. Освещение халькогенидного стекла светом с энергией фотона, равной или меньшей щели подвижности, приводит к его структурной перестройке. Структурная пере - стройка проявляется в объемном расширении, изменении упругих модулей, изменении показателя преломления света, сдвиге края оптического поглощения (фотозатемнения или фотопросветление). Такое освещение приводит также к появлению неспаренных спинов, которое регистрируется с помощью электронного спинового резонанса, фототока и фотолюминесценции с ее малой эффективностью, стоксовым сдвигом и усталостью. После прекращения облучения фотоструктурные изменения в отожженных образцах постепенно исчезают, а в неотожженных сохраняются.

Наряду с магнитными носителями, оптическими дисками, применяющими способ цифровой записи с осуществлением побитовой записи и считывания информации путем выжигания микроотверстий на поверхности излучением лазера, все большее внимание уделяется голографическому методу записи и хранения информации. Его главное отличие заключается в том, что для записи информации в этом случае используется не поверхность, и даже не набор слоев, как в FMD-дисках (Fluorescent Multi-layer Disk), а весь объем носителя. Технология создания голографических устройств хранения радикально отличается от ныне используемых сразу в нескольких аспектах:    

Хранением существенно больших объемов информации в носителе малого размера;

Высокой плотностью записи информации; существенным увеличением скорости обработки данных;

Высокой достоверностью и избыточностью информации.

Значительный интерес к голографической записи в последнее время связан со стремлением улучшить вышеперечисленные качества и найти более подходящие высокочувствительные регистрирующие среды. В настоящее время наиболее интенсивно исследуются и используются аморфные полупроводники, в частности, бескислородные халькогенидные полупроводниковые стекла (в дальнейшем - ХГС или ХСП). К ним относятся стеклообразные сплавы, содержащие один или несколько халькогенов, таких как S, Se, Te. При их взаимодействии с Si, Ge, Bi и As создаются разнообразные аморфные системы, характеризующиеся тем, что лазерное излучение влияет на их оптические, электрические и структурные параметры. Например, трисульфид мышьяка и триселенид мышьяка являются характерными представителями халькогенидных стекол.

С позиции оптической записи и обработки информации ХСП обла - дают рядом интересных свойств и характеристик. Известно, что среды на основе As₂Se₃ и As₂S₃, названные средами с фотостимулированными структурными превращениями, показывают весьма высокую разрешающую способность (до 10 тыс. лин/мм), реверсивность и возможность записи голограмм с большой дифракционной эффективностью [1], хотя способность обратимого фотостимулированного изменения оптических свойств характерна не только для данных составов, но и присуща большой группе бинарных, трехкомпонентных и многокомпонентных ХСП.

Халькогенидные стекла являются многообещающими оптическими материалами для создания устройств волоконной и интегральной оптики, а также для использования в системах обработки информации. Это связано с малыми потерями в полосе пропускания, с высоким показателем преломления (~ 2 - 4.5), прозрачностью в ИК-области спектра (~ 0.5 - 12 мкм) и светочувствительностью, с высокими значениями нелинейнооптических параметров, в совокупности с возможностью изменения физикохимических свойств ХГС путем варьирования состава, высокой термической, радиационной и химической устойчивостью, с высокой разрешающей способностью и удобной обрабатываемостью [1].

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что использование халькогенидных материалов в современной оптической промышленности является весьма перспективным. Высокое значение показателя преломления, высокая относительная плотность пленок, возможность использования в видимой и инфракрасной областях делают их незаменимыми для решения целого ряда прикладных задач. В силу того, что кристаллическое и аморфное состояние халькогенидов кардинально отличается электрическим сопротивлением, применение для нового типа энергонезависимой памяти открывает более широкие перспективы их использования в науке и технике. Еще одним из возможных применений халькогенидных слоев является их использование для оптической коммутации.

Литература

1.А.И. Попов, Условия устойчивого переключения в ячейках памяти на фазовых переходах - Энциклопедия Нефти и Газа.

. Лазаренко, П.И. Технология получения и электрофизические свойства тонких пленок материалов системы Ge-Sb-Te, предназначенных для устройств фазовой памяти / Лазаренко, П.И. // -2014.-с. 52-58.

. Физика и техника полупроводников, 2012, том 46, вып. 4 Статья «Эффект фототравления в тонких слоях халькогенидных стеклообразных полупроводников». В.А. Данько, И.З. Индутный, В.И. Минько, П.Е. Шепелявый, О.В. Березнева, О.С. Литвин

. Буткевич В.Г., Бочков В.Д., Глобус Е.Р. Фотоприемники и фотоприемные устройства на основе поликристаллических и эпитаксиальных слоев халькогенидов свинца // Прикладная физика. 2001. №6. C. 66-112 4. С.П. Зимин, Е.С. Горлачев.

. Наноструктурированные халькогениды свинца. Ярославль: ЯрГУ. 2011, 232 с. 5. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение /

.О.А. Александрова, А.И. Максимов, В.А. Мошников, Д.Б. Чеснокова / под ред. В.А. Мошникова. СПб.: Технолит, 2008.

. Горбунов Н.И., Варфоломеев С.П., Дийков Л.К., Медведев Ф.К. Новые оптоэлектронные датчики пламени // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2005. №2. С. 30 - 33.

. Интернет-ресурс http://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-halkogenidnyh-materialov-dlya-resheniya-zadach-sovremennyh-opticheskih-tehnologiy.

. Байдаков Дмитрий Леонидович халькогенидные пленки аолученные методом химического нанесения. Специальность 02.00.01 - неорганическая химия. Автореферат 1997 год.

. Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 12 Наноструктурированные халькогенидные пленки Ge2Sb2Te5, полученные методом лазерного электродиспергирования © Д.А. Явсин ¶, В.М. Кожевин, С.А. Гуревич, С.А. Яковлев, Б.Т. Мелех, М.А. Яговкина, А.Б. Певцов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 мая 2014 г. Принята к печати 20 мая 2014 г.)

. Формирование микрорельефа с использованием халькогенидных стеклообразных полупроводников. Волков А.В., Казанский Н.Л., Моисеев О.Ю. Институт систем обработки изображений РАН Самарский государственный аэрокосмический университет