GeSbTe

El GeSbTe ( germanio-antimonio-telurio o GST ) es un material de cambio de fase del grupo de los vidrios de calcogenuro utilizados 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 de surcos de contacto. Se utiliza frecuentemente en DVD regrabables . Es posible crear nuevas memorias de cambio de fase utilizando el semiconductor GeSbTe dopado con tipo n . El punto de fusión de la aleación es de aproximadamente 600 °C (900 K) y la temperatura de cristalización se encuentra entre 100 y 150 °C.  

Durante la escritura, el material se borra y se inicializa en su estado cristalino mediante 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 específicos con pulsos láser cortos (<10 ns) de alta intensidad ; el material se funde localmente y se enfría rápidamente, permaneciendo en la fase amorfa . Dado que la fase amorfa tiene menor reflectividad que la fase cristalina, los datos se pueden registrar como puntos oscuros sobre el fondo cristalino. Recientemente, se desarrollaron y utilizaron nuevos precursores de organogermanio líquidos , como el isobutilgermano ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} (IBGe) y el tetrakis(dimetilamino)germano ^{[ 4 ] [ 5 ]} (TDMAGe), junto con compuestos organometálicos de antimonio y telurio , como el tris-dimetilaminoantimonio (TDMASb) y el telururo de diisopropilo (DIPTe), respectivamente, para cultivar películas de GeSbTe y otros calcogenuros de muy alta pureza mediante deposición química de vapor organometálico (MOCVD). También se ha informado del tricloruro de dimetilaminogermanio ^{[ 6 ]} (DMAGeC) como precursor de dimetilaminogermanio superior que contiene cloruro para la deposición de Ge mediante MOCVD.

GeSbTe es un compuesto ternario de germanio , antimonio y telurio , con composición GeTe-Sb₂Te₃ _. En el sistema GeSbTe, existe una pseudolínea , como se muestra _, sobre la cual se ubican la mayoría de las aleaciones. Al descender por esta pseudolínea, se observa que, al pasar de Sb₂Te₃ 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, es necesario utilizar un material con una rápida velocidad de cristalización, como Sb₂Te₃ _{. 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 presenta dos configuraciones posibles: hexagonal y una red cúbica centrada en las caras (FCC) metaestable . Sin embargo, cuando se cristaliza rápidamente, se ha observado que presenta 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 vacancia en la red, de 20 a 25% dependiendo del compuesto GeSbTe específico. Por lo tanto, Te tiene un par de electrones no enlazantes adicionales, 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 bandas en estos compuestos. GeSbTe es generalmente de tipo p y hay muchos estados electrónicos en la banda prohibida que dan cuenta de trampas de tipo aceptor y donador. GeSbTe tiene dos estados estables, cristalino y amorfo. El mecanismo de cambio de fase de una fase amorfa de alta resistencia a una fase cristalina de baja resistencia en la nanoescala de tiempo y la conmutación 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 al calentarse o enfriarse, alternando entre estados estables amorfos y cristalinos. Estas aleaciones tienen alta resistencia en el estado amorfo '0' y son semimetales en el estado cristalino '1'. En el 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 y de alta amplitud, de modo que el material alcance el punto de fusión y se enfríe rápidamente, cambiando el material de fase cristalina a fase amorfa, se denomina corriente RESET, y el uso de un pulso eléctrico relativamente más largo y de baja amplitud, de modo que el material alcance solo el punto de cristalización y se le dé tiempo para cristalizar, permitiendo el cambio de fase de amorfo a cristalino, se conoce como corriente SET.

Los primeros dispositivos eran lentos, consumían mucha energía y se averiaban fácilmente debido a las altas corrientes. Por lo tanto, no tuvieron éxito cuando la memoria SRAM y la memoria flash se impusieron. Sin embargo, en la década de 1980, el descubrimiento del germanio-antimonio-telurio (GeSbTe) significó que la memoria de cambio de fase ahora requería menos tiempo y energía para funcionar. Esto resultó en el 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, antes excesiva, se redujo considerablemente al disminuir el volumen de GeSbTe que cambia de fase.

La memoria de cambio de fase posee muchas cualidades de memoria casi ideales, como no volatilidad , alta velocidad de conmutación, gran resistencia (más de ^10¹³ ciclos de lectura-escritura), lectura no destructiva, sobrescritura directa y un tiempo de retención de datos superior a 10 años. La principal ventaja que la distingue de otras memorias no volátiles de próxima generación, como la memoria de acceso aleatorio magnética (MRAM), es su singular capacidad de escalado, que permite un mejor rendimiento con tamaños más pequeños. Por lo tanto, el límite de escalado de la memoria de cambio de fase está condicionado por la litografía, al menos hasta los 45  nm. Esto ofrece el mayor potencial para lograr celdas de ultra alta densidad de memoria comercializables.

Aunque la memoria de cambio de fase es muy prometedora, aún existen ciertos problemas técnicos que deben resolverse antes de que pueda alcanzar una densidad ultra alta y comercializarse. El desafío más importante para la memoria de cambio de fase es reducir la corriente de programación a un nivel compatible con la corriente mínima de excitación del transistor MOS para una integración de alta densidad. Actualmente, la corriente de programación en la memoria de cambio de fase es considerablemente 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 sus elevados requerimientos de corriente. Por lo tanto, la ventaja única de escalabilidad 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. Consta de capas, incluyendo 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 mediante litografía. La constante de tiempo térmica del dispositivo también es importante. Debe ser lo suficientemente rápida para que el GeSbTe se enfríe rápidamente al estado amorfo durante el estado RESET, pero lo suficientemente lenta para permitir la cristalización durante el estado SET. La constante de tiempo térmica depende del diseño y del material con el que está construida la celda. Para la lectura, se aplica un pulso de baja corriente al dispositivo. Una corriente pequeña garantiza que el material no se caliente. La información almacenada se lee midiendo la resistencia del dispositivo.

La conmutación de umbral ocurre cuando el GeSbTe pasa de un estado de alta resistencia a un estado conductor en el campo umbral de aproximadamente 56 V/µm. ^{[ 8 ]} Esto se puede observar en la gráfica corriente - voltaje (I-V), 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 del voltaje . El material se encuentra ahora en el estado amorfo "ON", donde el material sigue siendo amorfo, pero en un estado eléctrico pseudocristalino. En el estado cristalino, la característica I-V es óhmica . Ha habido debate sobre si la conmutación de umbral era un proceso eléctrico o térmico . Se sugirió que el aumento exponencial de la corriente en el voltaje umbral debía deberse a la generación de portadores que varían exponencialmente con el voltaje, como la ionización por impacto o el efecto túnel . ^{[ 9 ]}

Recientemente, gran parte de la investigación se ha centrado en el análisis de materiales de cambio de fase en un intento de explicar el cambio de fase de alta velocidad del GeSbTe. Mediante EXAFS , se encontró que el modelo que mejor se ajusta al GeSbTe cristalino es una red de sal de roca distorsionada y al amorfo una estructura tetraédrica. El pequeño cambio en la configuración de sal de roca distorsionada a tetraédrica sugiere que es posible un cambio de fase a nanoescala ^{[ 10 ]} ya que los enlaces covalentes principales permanecen intactos y solo se rompen los enlaces más débiles.

Utilizando las estructuras locales cristalinas y amorfas más posibles para GeSbTe, el hecho de que la densidad del GeSbTe cristalino sea menos del 10 % mayor que la del GeSbTe amorfo, y el hecho de que las energías libres de ambos GeSbTe, amorfos y cristalinos, tengan aproximadamente la misma magnitud, se hipotetizó a partir de simulaciones de teoría del funcional de la densidad ^{[ 11 ]} 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 el AgInSbTe . Ofrece una mayor densidad lineal, pero tiene ciclos de sobrescritura entre uno y dos órdenes de magnitud menores. Se utiliza en formatos de grabación de surcos únicamente, a menudo en CD regrabables . El AgInSbTe se conoce como un material dominado por el crecimiento, mientras que el GeSbTe se conoce como un material dominado por la nucleación. En el GeSbTe, el proceso de nucleación de la cristalización es largo, con la formación de muchos núcleos cristalinos pequeños antes de un proceso de crecimiento corto donde los numerosos cristales pequeños se unen. En el AgInSbTe, solo se forman unos pocos núcleos en la etapa de nucleación, y estos núcleos crecen en la etapa de crecimiento más larga hasta que finalmente forman un solo cristal. ^{[ 13 ]}