Study of memory effect in amorphous chalcogenide semiconductor GST225 thin films.
Authors: Фефелов С.А. , Казакова Л.П. , Богословский Н.А. , Былев А.Б. , Анненкова А.М. 
Published: April 2022

Проведено исследование эффекта памяти в тонких пленках халькогенидных полупроводников состава GST225 путем пропускания через пленку последовательности треугольных импульсов тока с нарастающей амплитудой. Начальное состояние вещества пленки аморфное. Были получены синхронные осциллограммы импульса тока через образец и напряжения на нем в режиме заданного тока. По ним построены вольт-амперные характеристики. Характерными особенностями, наблюдаемыми на некоторых ВАХ, являются скачки напряжения и участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После пропускания импульса тока самой большой амплитуды ВАХ образца становится почти омической. Анализ всех ВАХ позволяет предположить, что формирование памяти, по-видимому, происходит поэтапно с постепенной кристаллизацией вещества пленки по толщине в зависимости от величины пропускаемого импульса тока. Этот возможный сценарий обсуждается здесь только качественно. Скачки напряжения, по-видимому, могут при определенных условиях объясняться особенностями процесса кристаллизации («взрывной» кристаллизацией), находящегося в аморфном состоянии вещества пленки, причем кристаллизация инициируется сильным электрическим полем. Принимая также во внимание, что при инжекции тока в пленку, когда она находится в состоянии с низкой проводимостью, по-видимому, образуется пространственный заряд, и может иметь место неоднородное распределение поля по толщине пленки. Можно допустить, что кристаллизация начинается у одного из электродов, где поле имеет наибольшую величину. «Взрывная» кристаллизация аморфного вещества затухает, когда поле вблизи границы области кристаллизации оказывается недостаточным для ее поддержания. После того, как часть пленки по толщине закристаллизовалась таким способом и условия для взрывной кристаллизации далее не выполняются, дальнейшая кристаллизация может быть обусловлена электронно-тепловыми механизмами. Что касается участков ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то их, по-видимому, можно связать с эффектом переключения, присущим аморфным халькогенидным полупроводникам.

We explored phase change memory phenomena in thin film of chalcogenide-glass semiconductors GST225 by passing through the film a sequence of triangular current impulses with increasing amplitude. Initially the film was in amorphous state. We took simultaneous oscilloscope pictures of the voltage across the thin-film “sandwich” type sample and the current passing through the above unit as a function of time. Then we got the current-voltage characteristics of the unit done. Distinctive features observed on some of the oscilloscope pictures and current-voltage characteristics are places with rapid decrease in voltage and negative differential resistance. After passing current impulse with the biggest amplitude the current-voltage characteristic of the unit is becoming almost ohmic. Analysis of all the current-voltage characteristics obtained allows us to suggest that the memory state formation apparently occurs in stages with gradual crystallization of amorphous substance of the film on thickness depending on amplitude of the triangular current impulses passing through the unit. This possible scenario is discussed here only from qualitative point of view. The rapid decreases in voltage apparently can under certain conditions be explained by peculiarities of crystallization process (“explosive” crystallization) while crystallization itself is initiated by electrical field. Taking also into account that under injection of current, when the film is in poorly conducting state, a space charge appears to form and as consequence a nonuniform distribution of field on thickness of the film can arise we can assume that crystallization starts at one of electrodes where the field is the biggest. “Explosive” crystallization of amorphous substance dies down when the field near the front of crystallization turns out to be not enough for holding it. After a part of the film is crystallized such a way and conditions for “explosive” crystallization are not more fulfilled the further crystallization can run by heating. As to a part of current-voltage characteristic with negative differential resistance they apparently are connected with switching phenomena that is characteristic of amorphous chalcogenide semiconductors.