14.578.21.0085

Целью ПНИЭР является разработка физико-технологических принципов построения наноразмерных устройств фазовой памяти и разработка и оптимизация технологии получения прототипа ячейки фазовой памяти.
Основные задачи проекта:
- проведение комплексных исследований свойств тонких пленок материалов фазовой памяти на основе соединений, лежащих на линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3, и влияния на свойства легирования с целью выявления состава с оптимальными свойствами для применения в устройствах фазовой памяти;
- разработка физико-технологических принципов построения наноразмерных устройств фазовой памяти;
- разработка и оптимизация технологии изготовления устройств фазовой памяти;
- разработка, создание и исследование прототипа ячейки фазовой памяти.

В настоящее время фазовая память привлекает повышенный интерес как один из наиболее перспективных новых видов энергонезависимых запоминающих устройств. По сравнению с флэш-памятью фазовая память обладает меньшим временем обработки данных и энергопотреблением, большим числом циклов записи, потенциалом к дальнейшему уменьшению размера элементов, большей радиационной стойкостью. Ряд крупных зарубежных фирм заявил о начале выпуска запоминающих устройств на основе фазовой памяти. Для России, особенно с учетом требования импортозамещения, актуальным является ускорение исследований и разработок в этой области и доведение их до уровня, необходимого для внедрения в промышленное производство.

Разработан и изготовлен аппаратно-технический комплекс для исследования процесса переключения при прямоугольных импульсах напряжений малой длительности; разработана методика и изготовлены экспериментальные образцы тонких пленок и слоистых структур на их основе; разработка методик измерения параметров экспериментальных образцов тонких пленок и слоистых структур на их основе; проведены исследования переключающих параметров тонких пленок перспективных материалов фазовой памяти при приложении постоянного напряжения и подаче импульсов напряжения прямоугольной формы; проведен общий анализ полученных результатов; сделан выбор оптимального варианта структуры ячеек фазовой памяти; определены принципы управления свойствами материалов фазовой памяти за счет изменения состава и типа легирующих примесей; сделан выбор составов материалов с оптимальными свойствами с точки зрения применения в устройствах фазовой памяти; разработаны физико-технологические принципы построения наноразмерных устройств фазовой памяти.

В ходе выполнения проекта были использованы научные приборы, стенды и установки, имеющихся в распоряжении исполнителей проекта, центров коллективного пользования «Электронные приборы и оборудование» (ЦКП ПКЭП) МИЭТ, «Диагностика и модификация микроструктур и нанообъектов» (ЦКП ДММН) МИЭТ, «Региональный Центр зондовой микроскопии коллективного пользования (РЦЗМкп) Рязанского государственного радиотехнического университета», а также уникальных научных установок: «Многофункциональный комплекс для формирования и исследования параметров тонких пленок» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»; «Учебно-производственный комплекс мелкосерийное производство высокотехнологичноцй продукции с автоматизированной системой управления» Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», «Лазерные методы исследования конденсированных сред, биологических объектов и мониторинга окружающей среды (ЛАМИ)» Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук.

1. Разработана методика оценки кинетики кристаллизации тонких пленок материалов фазовой памяти. С использованием разработанной методики проведена оценка кинетики кристаллизации и времени обработки данных в устройствах фазовой памяти на основе тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅.

2. Отработаны методики синтеза халькогенидного полупроводника Ge₂Sb₂Te₅, легированного примесями Bi, In, Ti.

3. Отработаны методики нанесения тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, легированных Bi, In, Ti, методом вакуумно-термического испарения.

4. Проведены исследования термических свойств тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, легированных Bi, In, Ti, методом ДСК. Установлено, что с помощью добавления таких примесей как Bi, In, Ti можно варьировать параметры кристаллизации, в частности, ее температуру.

5. Проведена оценка кинетики кристаллизации тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, легированных Bi, In, Ti. Установлено, что наилучшими кинетическими параметрами обладают тонкие пленки Ge₂Sb₂Te₅ + 0,5 вес.% Bi.

6. Исследовано влияние отжига на морфологию поверхности тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, легированного примесями Bi, In, Ti, методами АСМ и РЭМ. 

7. Проведено измерение температурных зависимостей электрофизических характеристик тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅, легированных Bi, In, Ti, с использованием различных скоростей нагрева. Установлено, что кристаллизация сопровождается уменьшением удельного сопротивления тонких пленок на 3-4 порядка.

8. Разработана методика измерения температурных зависимостей термо-ЭДС тонкопленочных образцов, что позволило провести измерение температурных зависимостей термо-ЭДС тонких пленок.

9. Проведены измерение температурных зависимостей термо-ЭДС тонких пленок и их анализ. Определен тип проводимости и коэффициент термо-ЭДС тонких пленок Ge₂Sb₂Te₅.

10. Проведен анализ механизмов переноса носителей заряда в тонких пленках исследуемых халькогенидных стеклообразных полупроводников с учетом результатов, полученных при измерениях термо-ЭДС и комплексных исследований слоев.

11. С помощью методов эллипсометрии и спектрофотометрии оценены значения коэффициента преломления, ширины щели по подвижности, энергии Урбаха слоев Ge₂Sb₂Te₅, легированных Bi, In, Ti.

12. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для исследования температурных зависимостей термо-ЭДС тонких пленок.

13. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для исследования ВАХ тонких пленок материалов фазовой памяти в широком температурном диапазоне.

14. Проведено измерение вольт-амперных характеристик тонкопленочных образцов Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti, N в широком температурном диапазоне.

15. Показана прямая взаимосвязь морфологии поверхности и электрофизических характеристик тонких пленок материалов фазовой памяти при кристаллизации.

16. Определены принципы управления свойствами материалов фазовой памяти.

17. Разработан и изготовлен аппаратно-технический комплекс для исследования процесса переключения при прямоугольных импульсах напряжений малой длительности.

18. Разработана технология формирования и исследованы электрофизические характеристики и переключающие параметры вертикальных и планарных ячеек фазовой памяти с нанометровым расстоянием между электродами.

19. Разработаны физико-технологические принципы построения наноразмерных устройств фазовой памяти.

Фазовая память может быть применена для большого круга приборов электроники: приборы массового потребления (мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и т.д.), приборы специального назначения, требующие повышенной надежности, быстродействия, радиационной стойкости (военной и атомная промышленности, авиа- и космическая техника). Созданное в ходе выполнения метрологическое обеспечение, которое включает оригинальные методики и измерительные аппаратно-программные комплексы для контроля параметров тонких пленок, структур и разрабатываемых изделий, может быть использовано для серийного производства устройств фазовой памяти.
Разработка технологии создания фазовой памяти может обеспечить замену флэш-памяти на рынке устройств хранения информации. Кроме того, фазовая память может быть использована в таких областях, где флэш-память в силу своих особенностей не может быть применена. Например, космическая, военная или атомная промышленность, где требуется высокая радиационная стойкость, или в качестве динамической памяти, где требуется высокая скорость обработки данных.