Физики из Пенсильванского университета (США) проследили за тем, как изменяется внутренняя структура элемента памяти на фазовых переходах (PCM) при его переключении.

PCM считается одним из наиболее перспективных «универсальных» видов памяти: она энергонезависима, выдерживает большое число циклов перезаписи, имеет довольно высокую скорость доступа и малое энергопотребление. Для кодирования и хранения информации в PCM-элементе используются разные значения отражательной способности или (гораздо чаще) электрического сопротивления, отвечающие аморфному и кристаллическому состояниям какого-либо материала. Переключать состояния помогают оптические или электрические импульсы: короткие с большой амплитудой обеспечивают аморфизацию, а длительные с меньшей амплитудой — кристаллизацию.

Принято считать, что подача высокоамплитудного импульса с малой длительностью вызывает плавление материала, а последующее охлаждение фиксирует полученное беспорядочное расположение атомов. Такое теоретическое описание казалось абсолютно логичным, но его всё равно необходимо было проверить экспериментально. Поскольку сделать это в опытах с традиционными PCM-элементами, построенными на основе поликристаллических тонких плёнок с небольшими (10–20 нм) зёрнами, не удавалось, американцы решили работать с монокристаллическими нанопроводами. Они изготавливались из самого распространённого PCM-материала Ge2Sb2Te5, обозначаемого как GST, и исследовались под просвечивающим электронным микроскопом.

Подавая импульсы напряжения с постепенно возрастающей амплитудой, авторы следили за тем, как это отразится на сопротивлении PCM-элемента, и отмечали момент перехода в аморфное состояние. В результате выяснилось, что аморфизации и резкому росту сопротивления предшествует его незначительное снижение, наблюдаемое в исходном кристаллическом состоянии GST. Величина напряжения, при подаче которого сопротивление начинало падать, зависела от толщины нанопровода и длительности импульса.

Рассматривая микрофотографии, физики соотнесли обнаруженные изменения электрических параметров нанопровода с перестройкой его структуры. Как оказалось, нагрев, вызванный приходом импульсов достаточно большой амплитуды, приводит к образованию вакансий (точечных дефектов кристалла), при конденсации которых появляются линейные дефекты — дислокации. Последние начинают двигаться вдоль нанопровода, встречая и поглощая новые вакансии и уменьшая вероятность рассеяния носителей заряда (снижая сопротивление). Однако подобные одномерные перемещения дефектов всегда нестабильны, и на каком-то отрезке нанопровода вскоре возникает «затор». В итоге падение сопротивления прекращается, дислокации скапливаются в труднопроходимой области, в объёме кристаллического материала создаётся участок с высокой степенью неупорядоченности, а за этим следует аморфизация.

Такой механизм перехода в аморфное состояние явно отличается от упомянутого выше плавления, которое должно было бы начинаться на поверхности нанопровода и со временем разделять его на аморфную оболочку и кристаллическую сердцевину. В экспериментах аморфным, напротив, становился совсем небольшой участок провода, охватывающий всё поперечное сечение.

Вероятно, механизм, схожий с исследованным, действует и в поликристаллических тонкоплёночных устройствах: межзёренные границы вполне могут рассматриваться как сети дислокаций.

Схема аморфизации GST-нанопровода.

Результаты экспериментов с нанопроводами из GST авторы изложили в статье, опубликованной в Science. В том же номере журнала можно найти отчёт физиков из Великобритании и Сингапура, продемонстрировавших рекордно быструю PCM-память. Как мы сегодня уже сообщали, время кристаллизации, измеряемое по длительности управляющего импульса на уровне половины амплитуды, британо-сингапурской группе, работавшей с традиционным PCM-элементом на основе GST, удалось довести до 500 пс.

Снижение требуемой длительности импульса физики связывают с предварительной «обработкой» материала слабым электрическим полем. Вызванное включением этого поля повышение температуры на ~100 К не инициирует нуклеацию (первый этап кристаллизации, образование небольших упорядоченных зародышей), но способствует общему упорядочению структуры и образованию кластеров в аморфной матрице. В результате число относительно больших кластеров увеличивается, а вслед за этим возрастает и вероятность успешной нуклеации и роста кристаллических зародышей при подаче управляющего импульса.

Перегруппировка атомов во время фазового перехода. Сверху показан обычный переход, снизу — «быстрый» переход с предварительным включением слабого поля.