WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Рис. 4. Зависимости порогового напряжения от ширины запрещенной зоны материала : кривая 1 – = 5 нм, кривая 2 – = 10 нм, 3 кривая – = 15 нм.

При расчетах толщина аморфного слоя принималась равной 50 нм. Точки на линии 2 соответствуют экспериментальным. Точки соответствуют кривой, если E0=0,022 эВ. Низкие значения величины E0 подтверждают тот факт, что только очень мелкие ловушки принимают участие в процессе.

Согласно расчетам должна наблюдаться линейная зависимость Eth(Eg). Экспериментальные результаты подтверждают это, несмотря на значительный разброс точек.

Одним из ключевых параметров для понимания природы процесса переключения в ХСП является проводимость аморфных полупроводников в сильных электрических полях.

Рис. 5. Зависимости тока через образец от температуры, измеренные при различных значениях напряжения: V: 1 – 0.1 В, 2 – 0.7 В, 3 – 1.4 В, 4 – 1.6 В, 5 – 2 В.

Как видно из приведенных зависимостей(рисунок 5), с увеличением приложенного к образцу напряжения меняется наклон прямых. При условии, что распределение электрического поля в образце равномерное, это означает, что с ростом поля проводимость образца возрастает и при этом энергия температурной активации проводимости тем меньше, чем выше электрическое поле.

Для рисунка 6 получена следующая империческая зависимость:

(5)

где Ea(E) – энергия активации [эВ], E – напряженность электрического поля [В/см], k – постоянная Больцмана, T –температура [К], V – напряжение [В], приложенное к образцу, As – величина с размерностью проводимости, характерная для данного образца.

Как видно из графиков рисунке 5 в области сильных предпробойных полей энергия активации линейно уменьшается с ростом электрического поля и может быть описана формулой

, (6)

где EG – ширина запрещенной зоны, E – напряженность электрического поля, – характеризующая данный материал постоянная величина с размерностью [Кл·м].

На рисунке 2 схематически показаны энергетические диаграммы и процессы электронного обмена, характеризующие использованный при моделировании подход. Рис.2 демонстрирует процессы эмиссии дырок с эмиссионных центров Ne и их захват на мелкие ловушки Nt. Через величину B обозначен эмиссионный барьер, в дальнейшем его величина принимается равной Eg/2. Как было определено из модели в высоких полях ток через образец определятся равновесными и неравновесными дырками, возникающими за счет полевой эмиссии:

(7)

где Gs = S/d – коэффициент, характеризующий геометрию образца; p – подвижность дырок; Nv – эффективная плотность состояний в валентной зоне, Ne – концентрация эмиссионных центров.

Поскольку, как правило, Nv >> Ne, то первое слагаемое в уравнении (7) доминирует при низких полях, второе при сильных. Сравнение (7) с эмпирическими зависимостями (5) и (6) показывает, что в области сильных полей между эмпирическими коэффициентами и параметрами материала, используемыми в модели должны существовать следующие соотношения:

,.

Эти соотношения позволяют из экспериментальных зависимостей определить такие параметры модели как Ne и La.

В данной работе для оценки справедливости рассматриваемой модели, помимо значений порогового напряжения, использовалось сравнение расчетной и экспериментальной вольт-амперных характеристик.

На рис. 6 приведены расчетные кривые полного тока (линия 1), тока, создаваемого равновесными носителями (линия 2) и эмиссионного тока (линия 3). Расчет выполнен при тех же параметрах B и, что и ранее для кривых, показанных на рис. 4. Из графиков видно, что расчетные кривые удовлетворительно соответствуют экспериментальным точкам.

Рис. 6. Вольтамперные характеристики ячейки. Линия 1 – полный ток, линия 2 – омический ток, линия 3 – эмиссионный ток. Точки на графике соответствуют экспериментальным результатам

Рис. 7. Экспериментальная и расчетная вольт-амперная характеристики ФПЯ

На рис. 7 показана вольт-амперная характеристика ФПЯ, линия 0BC соответствует характеристике, которая должна получиться в соответствии с эмиссионной моделью. Точка B имеет координаты Vth, Ith. Это точка включения ФПЯ. Пунктирная линия 0А характеризует ток Ic, который линейно зависит от приложенного напряжения, пунктирная линия 0B характеризует эмиссионный ток Iem. Сумма этих токов характеризуется сплошной линией 0B, которая соответствует ВАХ ФПЯ до точки включения. Расчетная линия до точки B совпадает с экспериментальной. После точки B экспериментальная характеристика включения представлена пунктирными линиями. Ее ход задается сопротивлением внешней цепи. Вторая пунктирная линия, идущая из 0, соответствует включенному состоянию. Участок BD соответствует эмиссионному пробою и наблюдался бы в случае отсутствия шнурования.

Основная особенность вльт-амперной характеристики в данной модели заключается в том, что он не имеет участка развития отрицательного сопротивления, соответствующего теории отрицательного дифференциального сопротивления Ridley и отражающего стадию формирования токового шнура между электродами.

Если бы не было включения прибора в точке B, то характеристика бы шла по почти вертикальному участку BD (пунктир), что соответствовало бы эмиссионному пробою без шнурования.

При приложении к ФПЯ напряжения, в образце возникает свободный заряд, накопление которого можно характеризовать эмиссионной емкостью. Учитывая уравнение (27) и то, что величина эмиссионного заряда равна, получим:

, (8)

где.

Рис. 8. Зависимость отношения эмиссионной емкости к геометрической (Ce/Cgeom) от напряжения: кривая 1 – T = 400К, кривая 2 – T = 300 К, кривая 3 –T = 200 К)

На рис. 8 показаны зависимости отношения эмиссионной емкости к геометрической от относительного напряжения на образце (V/Vth), рассчитанные для различных температур. При расчетах принималось Cgeom=0S/d и Vth=1.6В, эВ, Ne=1018 см-3, d=50нм, S=104 нм2, =10. Приведенные зависимости показывают, что эмиссионная емкость может значительно превышать геометрическую емкость. Этот факт как правило не учитывается при проектировании PRAM, однако он может оказывать влияние на надежность перезаписи информации.

Эффекту включения ФПЯ предшествует некоторое время задержки. Согласно рассматриваемой модели задержка обусловлена накоплением эмиссионного заряда и созданием концентрации свободных носителей, необходимой для образования, замыкающего контакты прибора, проводящего кластера.

На рис. 9 показана форма импульса, наблюдаемая при включении ФПЯ. Из графика видно, что, по прошествии времени td происходит резкое падение напряжения на образце и возрастание тока через него, т.е. происходит включение ячейки и переход ее из состояния с высоким сопротивлением, в состояние с высокой проводимостью, т.е. перезапись логического нуля на логическую единицу. Через некоторое время, обычно называемое временем фиксации проводящего состояния (td.cr,), наблюдается некоторое возрастание тока прибора. Если в течение времени меньшем времени td.cr снять напряжение с прибора, то фиксации включенного состояния не происходит и ФПЯ возвращается в исходное состояние с высоким сопротивлением. Участок, характеризуемый временем фиксации, связывают с возникновением в канале проводящей поликристаллической нити, замыкающей контакты. Следует отметить, что этот участок хорошо выражен в ФПЯ первого поколения и незаметен в ФПЯ второго поколения.

Рис. 9. Форма импульса напряжения и тока наблюдаемая при включении ФПЯ

Рис. 10. Зависимости времени задержки от толщины пленки при E=Eth, кривая 1 – p=10-4 см2/(Вс), кривая 2– p= 10-3 см2/(Вс), кривая 3 – p= 2 10-3см2/(Вс) (Ne=1018см-3, S=104 нм2, Eth=3105 В/см, T=300K).

Включение ФПЯ, согласно развиваемой в данной работе модели происходит в момент, когда эмиссионный заряд достигает значения Qth = P(E)Ne.. Для накопления этого заряда при токе Ith требуется время td0. Тогда можно записать:

, (9)

где S – площадь электрода и Qth = SdeNePth, I’th = SdeNePthpEth.

Это сравнительно простое уравнение дает правильный порядок для значений времени задержки. На рис. 10 приведены зависимости времени задержки от толщины для разных значений подвижности. Значения, выбранные для расчетов, ориентированы на параметры ячеек второго поколения (точки на графиках.).

Если поле в образце E больше порогового значения Eth, то время задержки td(E) меньше чем td0:

. (10)

Полученное соотношение соответствует тому, которое наблюдалось в экспериментах. На рис. 11 показано как изменяется время задержки от перенапряжения (в относительных величинах). Расчет выполнен в соответствии с уравнением (10).

Рис. 11. Зависимости времени (td/td0) задержки от перенапряжения (V/Vth).

При расчете времени задержки в уравнении (9) учитывается только активная компонента тока. Однако, для тока через образец с учетом реактивной компоненты можно записать:

, (11)

где I’th – активная составляющая тока. Тогда для порогового тока можно записать:

. (12)

Соответственно:

. (13)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Предложена аналитическая модель эффекта переключения в халькогенидных аморфных материалах. Выполнены расчеты влияния температуры на электропроводность тонких пленок GST согласующиеся с экспериментальными данными.
  2. Разработана методика получения и исследования образцов ФПЯ на основе GST. Разработана методика изучения динамики фазовых переходов в ФПЯ путем наложения на образец, помимо возбуждающего импульса, постоянного токового смещения.
  3. Разработан программно-аппаратный комплекс для измерения статических и динамических характеристик тонких пленок GST и элементов ФПЯ в диапазоне температур 173-400 К.
  4. Выполнено экспериментально исследование влияния электрических полей и температуры на электропроводность тонких пленок GST.
  5. Выполнено экспериментальное исследование статических и динамических характеристик ФПЯ
  6. Выполнен согласующийся с экспериментальными данными расчет для вольтамперной характеристики элемента памяти для выключенного состояния.
  7. Выполнены расчеты влияния параметров материала и температуры на пороговое напряжение. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными.
  8. Показано, что при эффекте переключения возникает эмиссионная емкость, которая может оказывать влияние на надежность работы прибора, при напряжениях включения превышающих пороговое.

Результаты работы могут быть использованы разработчиками электронных PRAM устройств, при расчете стадии включения элементов памяти с фазовыми переходами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

  1. Контроль качества пленок аморфных полупроводников и диэлектриков по оптическому поглощению в области края Урбаха/ Ануфриев Ю.В., Воронков Э.Н., Бабенко Е.А. Копелев. И.Б. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докладов научно-методического семинара ( Москва, 9-12 ноября 2004 г.) М: МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ (ТУ) 2005. С.156-160.
  2. Ануфриев. Ю.В. Программно-аппаратный комплекс для исследования характеристик полупроводниковых материалов и приборов// Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» 17-19 октября 2006 г., в 3-х т.т. Т1.-М.: Янус-К, 2006, С.145-146.
  3. Ануфриев. Ю.В. Температурная зависимость напряжения включения ячеек энергонезависимой памяти на основе халькогенидных полупроводников// Вестник Московского Энергетического института, -М:МЭИ, 2007, №6, С.144-147.
  4. Ануфриев Ю.В., Еганова Е.М. Определение электрофизических параметров полупроводниковых материалов с фазовыми переходами// Программа и тезисы докладов научной сессии Центра хемотроники стекла им. В.В. Тарасова, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Б.Т. Коломийца. 15 апреля 2008 г., -М: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2008. С.24-25.
  5. Ануфриев Ю.В. Определение параметров материала из вольтамперных характеристик элементов памяти с фазовыми переходами// Аморфные и микрокристаллические полупроводники сборник трудов 6 международной конференции. 7-9 июля 2008 г.-Санкт-Петербург: издательство Политехнического университета 2008 г. С.
    Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»