CC BY
14МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
Научная статья УДК 544.344.015.4
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-3-267-280 EDN: AHFMYE
Кристаллизация тонких пленок Ge2Sb2Te5 с помощью тонкопленочного резистивного нагревательного элемента для создания оптоэлектронных и интегрально-оптических элементов и устройств на их основе
1 12 1 12 В. Б. Глухенькая , Г. Н. Пестов ' , А. И. Гулидова , М. А. Сауров ' ,
13 1 2 12
П. А. Смирнов ' , М. Е. Федянина , А. О. Козлов , А. И. Савицкий '
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
2НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, г. Москва, Россия
Аннотация. Тонкие пленки материала Ge2Sb2Te5 (GST) характеризуются высокой скоростью фазовых превращений (< 50 нс) и оптическим контрастом (~ 30 %) между аморфной и кристаллической структурами. Распространенным способом переключения тонких пленок GST из аморфного состояния в кристаллическое и обратно является лазерное излучение. Однако реализовать обратимое переключение элементов большой площади функциональной области GST можно только в режиме сканирования поверхности импульсным лазерным пучком, что существенно увеличивает время переключения. В работе представлена конструкция для переключения функциональной микроразмерной области GST с помощью тонкопленочного резистивного нагревательного элемента. Установлено, что кристаллизация функциональной области GST размером 100 ><100 мкм и толщиной 30 нм в fCc-структуру происходит при протекании через нагревательный элемент одиночного электрического импульса длительностью 200 мс и амплитудой 2,1 В (~ 310 мА) или при напряжении 1,7 В и токе ~ 220 мА в DC-режиме измерений. В соответствии с выполненным компьютерным моделированием при данном электрическом воздействии область GST разогревается до температуры ~ 218 °C. Полученные результаты демонстрируют возможность применения разработанной и изготовленной структуры для создания элементов энергонезависимых активных оптических и оптоэлектронных устройств, в том числе устройств отображения информации.
© В. Б. Глухенькая, Г. Н. Пестов, А. И. Гулидова, М. А. Сауров, П. А. Смирнов, М. Е. Федянина, А. О. Козлов, А. И. Савицкий, 2024
Ключевые слова: тонкие пленки GST, фазопеременные материалы, электрическое переключение, металлический резистивный нагреватель, джоулев нагрев, электрический нагрев
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 23-79-10309) в научно-исследовательской лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» МИЭТ.
Благодарности: авторы выражают благодарность А. А. Шерченкову, П. И. Лаза-ренко и Д. Ю. Терехову за оказанную помощь в проведении экспериментов.
Для цитирования: Кристаллизация тонких пленок Ge2Sb2Te5 с помощью тонкопленочного резистивного нагревательного элемента для создания оптоэлек-тронных и интегрально -оптических элементов и устройств на их основе / В. Б. Глухенькая, Г. Н. Пестов, А. И. Гулидова и др. // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 3. С. 267-280. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-3-267-280. -EDN: AHFMYE.
Original article
Crystallization of Ge2Sb2Te5 thin films using a thin-film resistive heating element to create optoelectronic and integrated optical elements and devices based on them
V. B. Glukhenkaya1, G. N. Pestov12, A. I. Gulidova1, M. A. Saurov12,
1 5 7 "} 1 J
P. A. Smirnov , , M. E. Fedyanina , A. O. Kozlov , A. I. Savitskiy ,
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 (( УУ
SMC "Technological Centre ", Moscow, Russia P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Abstract. Thin films of the Ge2Sb2Te5 (GST) material are characterized by high rate of phase transformations (< 50 ns) and high optical contrast (~ 30 %) between amorphous and crystalline structure. A common way to switch thin GST films from an amorphous to a crystalline state is laser radiation. However, reversible switching of elements with a large size of the GST functional area can only be achieved in the surface scanning mode with a pulsed laser beam, which significantly increases switching time. In this work, the design of the functional micro-sized GST region switching a thin-film resistive heating element is presented. It has been established that crystallization of 100^100 цт 30 nm GST functional area into fcc structure occurs when single 200 ms long electric impulse with amplitude 2.1 V (~ 310 mA), or at 1.7 V and ~ 220 mA current in DC measuring mode, flows through heating element. According to implemented computer simulation, the GST area at this electrical action heats up to ~ 218 °C. The results obtained demonstrate the possibility to use the developed and fabricated structure for creation of elements of non-volatile active optical and optoelectronic devices, including information display devices.
Keywords, thin films GST, phase change materials, electrical switching, metal resistive heater, Joule heating, electrical heating
Funding, the work has been supported by the Russian Science Foundation (project no. 23-79-10309) in the "Materials and devices laboratory of active photonics" MIET.
Acknowledgements, the authors express their gratitude to A. A. Sherchenkov, P. I. Lazarenko and D. Yu. Terekhov for their assistance in conducting experiments.
For citation. Glukhenkaya V. B., Pestov G. N., Gulidova A. I., Saurov M. A., Smirnov P. A., Fedyanina M. E., Kozlov A. O., Savitskiy A. I. Crystallization of Ge2Sb2Te5 thin films using a thin-film resistive heating element to create optoelectronic and integrated optical elements and devices based on them. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 3, pp. 267-280. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-3-267-280. - EDN: AHFMYE.
Введение. Развитие оптоэлектроники, фотоники и интегральной оптики, а также усложнение задач, которые решают данные области, предъявляют повышенные требования к высокоскоростной передаче, обработке, хранению и визуализации данных, к совершенствованию систем отображения информации и управления оптическими сигналами. Возрастающий интерес к структурам, позволяющим осуществлять энергонезависимое хранение или отображение информации и эффективное управление проходящим или отраженным оптическим сигналом [1-4], определяют актуальность проводимых исследований и открывают возможности для изучения и создания быстродействующих оптических и оптоэлектронных элементов, в том числе активных элементов отображения информации с обратимо перестраиваемыми оптическими свойствами.
Активные элементы отображения информации могут быть разработаны и изготовлены на основе фазопеременных материалов (Phase Change Materials, PCM). Особенность данных материалов заключается в возможности протекания быстрых обратимых фазовых превращений между неупорядоченным (аморфным) и упорядоченным (кристаллическим) состояниями. Данные превращения сопровождаются существенным изменением показателя преломления и отражательной способности, что позволяет осуществлять контролируемое изменение оптических параметров взаимодействующего с фазопеременным материалом излучения.
На сегодняшний день можно выделить три основных направления исследований и разработок, на которых сконцентрировано внимание научных групп в области фотоники: 1) элементы фотонных интегральных схем, в частности многоуровневая оптическая память [5], элементы волноводной фотоники [6-8], нейроморфные сети и вычисления [9, 10] и т. д.; 2) элементы отображения информации и маскирующих покрытий, в частности перестраиваемые светофильтры [11], динамические дисплеи [2, 12-14], термокамуфляж [15, 16] и т. д.; 3) структуры на основе метаповерхностей, в частности голографические элементы [17, 18], наноантенны ближнего и среднего инфракрасного диапазонов [19, 20], металинзы и фокусирующие устройства [21, 22] и т. д.
Наиболее перспективным материалом для создания активных быстродействующих оптических элементов с переключаемыми или перестраиваемыми оптическими свойствами являются тонкие пленки Ge2Sb2Te5 (GST). Выбор данного материала обусловлен высокой скоростью фазовых превращений (< 50 нс) [4], большим оптическим контрастом (~ 30 %) [23], возможностью формирования более десяти состояний с различной степенью кристаллизации [24], энергонезависимым поддержанием формируемых фазо-
вых состояний, низким уровнем поглощения в аморфном состоянии в ближнем инфракрасном диапазоне, а также совместимостью с КМОП-технологией. Инициировать обратимые изменения фазового состояния в тонких пленках GST можно с помощью низкочастотного электрического поля (электрическое переключение [25]), лазерного излучения (оптическое переключение [26, 27]) и внешнего нагревательного элемента, в том числе резистивного (резистивное переключение [28, 29]).
Цель настоящей работы - разработка конструкции и определение параметров переключения (кристаллизации) функциональной микроразмерной области Ge2Sb2Te5 (GST) с помощью тонкопленочного резистивного нагревателя.
Переключение функциональной области GST. В процессе разработки активных элементов оптических и оптоэлектронных устройств отображения информации важна не только скорость изменения фазовых состояний, но и возможность равномерной объемной кристаллизации / аморфизации функциональной области GST, в том числе области GST большой площади. Поиск оптимальных подходов к переключению фазопе-ременных материалов и изготовленных на их основе оптоэлектронных элементов является актуальной научно-практической задачей. При электрическом переключении с уменьшением размеров функциональной области увеличивается ее сопротивление, а следовательно, и ток, необходимый для инициации процессов кристаллизации / аморфизации, что приводит к росту энергопотребления в целом. Вследствие точечного разогрева и высоких тепловых потерь кристаллизация всего объема материала микроразмерной функциональной области при относительно малых токах и низком энергопотреблении не происходит. Равномерно закристаллизовать функциональную область GST большой площади при локальном воздействии можно с помощью лазерного излучения. Однако это предъявляет повышенные требования к равномерности распределения профиля интенсивности излучения (применение амплитудно-фазовых корректоров пучка - п-шейперов) и обусловливает наличие громоздкого внешнего источника энергетического воздействия. Инициировать фазовые изменения функциональной площади можно также в режиме сканирования лазерного луча по поверхности материала, но это повлечет за собой увеличение времени переключения функциональной области в целом.
Оптимальным решением для корректного функционирования разрабатываемых элементов является переключение GST с помощью резистивного нагревательного элемента. При резистивном переключении кристаллизация функциональной области GST происходит в результате поглощения джоулева тепла, выделяемого резистивным нагревателем вследствие протекания через него электрического тока. Данный способ переключения обеспечивает не только кристаллизацию поверхности функциональной области большой площади, но и всего ее объема, что позволяет осуществлять стабильное управление падающим и/или отраженным световым сигналом. Кристаллизация микроразмерной области GST с помощью резистивного нагревательного элемента может быть инициирована при следующих параметрах электрического импульса: 1,0-3,2 В/200 мс [29] или 2,4 В/10 мс [30]. Параметры переключения области GST зависят от материалов нагревателя и прилегающих слоев, а также от размеров самой переключаемой области.
Технологические этапы изготовления экспериментальной структуры. Исследование процесса переключения функциональной области GST размером 100 х 100 мкм проводили с помощью тонкопленочного резистивного нагревателя. Структуры изготавливали на стеклянных подложках Corning glass 1737F толщиной 0,7 мм методом контактной литографии в три этапа. На первом этапе формировали метки совмещения и
металлический тонкопленочный резистивный нагреватель (рис. 1, а), на втором этапе -контактные площадки (рис. 1, б), на третьем этапе - функциональную область Ое28Ь2Те5 (30 нм), на поверхность которой осаждали 20-нм слой оксида кремния БЮ2 (рис. 1, в), предотвращающий процессы окисления и деградации функционального материала вследствие термических воздействий. Металлический нагреватель и контактные площадки изготавливали из никеля (N1) толщиной 150 и 250 нм соответственно. Для повышения адгезионной прочности №-нагревателя и контактных площадок на подложке предварительно формировали 20-нм подслой из титана (Т1). Нагреватель представляет собой элемент длиной 1,5 мм и с переменной шириной, которая при движении от края нагревательного элемента к центру уменьшается от 400 до 250 мкм.
Ti/Ni
1500 мкм
750 мкм
а
GST
400 мкм
V— —~ *
860 мкм
400 мкм
б
Рис. 1. Оптические изображения формирования металлического нагревательного элемента (а), контактных площадок (б) и функциональной
области GST (в) Fig. 1. Optical image of the formation of a metal heating element (a), contact pads (b) and GST functional area (c)
Элементы структуры на каждом из этапов формировали в слое позитивного фоторезиста (ФП3515) толщиной 1,5 мкм с разрешающей способностью 500 линий/мм. Данное разрешение обеспечивает формирование элементов с топологическим размером в несколько единиц микрометров. Нанесение фоторезиста проводили методом двух-этапного центрифугирования, после чего его сушили при температуре 90 °С в течение 10 мин. Экспонирование фоторезиста проводили УФ-лампой (X = 365 нм) через темно-польный пленочный фотошаблон, выполненный на тонкой полимерной пленке. Про-экспонированные участки фоторезистивной маски проявляли в 0,6%-ном растворе NaOH в течение 25 с при комнатной температуре. Вскрытые окна впоследствии заполняли металлом (Ti, Ni), функциональным (GST) и защитным (SiO2) материалами.
Заполнение вскрытых окон тонкими пленками Ti, Ni и GST проводили методом магнетронного распыления материалов мишени. Защитный слой SiO2 формировали методом электронно-лучевого испарения. Перед заполнением вскрытых окон поверхность образца обрабатывали в кислородной плазме в течение 3 мин с целью удаления недопроявленного фоторезиста и остаточной влаги, а также для дополнительной физико-химической активации поверхности. Снятие фоторезиста после завершения каждого из этапов проводили в 99%-ном растворе ДМФА методом взрывной литографии в ультразвуковой ванне при температуре 70 °С в течение 30 с. Далее образец последовательно промывали в горячей (70 оС, 1 мин) и проточной холодной (25 оС, 1 мин) деионизован-ной воде и сушили в потоке аргона.
Методы исследований. Толщину всех сформированных слоев контролировали методом стилусной профилометрии (KLA-Tencor, США). Контроль линейных размеров изготовленной структуры осуществляли методом оптической микроскопии. Отклонение размеров сформированных на подложке элементов относительно размеров элементов на фотошаблоне не превышало 15 %.
Электрическое переключение функциональной области GST с помощью резистив-ного нагревательного элемента осуществляли на зондовой станции с помощью источника питания Agilent E3647A, цифрового мультиметра Keithley 2700 (DC-режим) и генератора импульсов 200 В Keysight B2912A (импульсный режим). Идентификацию фазового состояния пленок GST до и после резистивного переключения проводили методом комбинационного рассеяния (КР) света на установке Centaur U HR (X = 532 нм, P ~ 0,1 мВт). Спектральные характеристики показателя преломления n(X) и коэффициента экстинкции материала функциональной области получены методом эллипсо-метрии в видимой области спектра с помощью эллипсометра Horiba Uvisel 2 (Horiba, Франция).
Результаты и их обсуждение. В DC-режиме измерений в результате протекания через нагревательный элемент тока, равного 220 мА, при напряжении 1,7 В наблюдается изменение отражательной способности функциональной области (рис. 2). Аналогичные результаты получены при переключении структуры одиночным электрическим импульсом П-образной формы длительностью t = 200 мс и амплитудой U = 2,1 В, при этом через нагреватель протекал ток ~ 310 мА.
а б
Рис. 2. Оптические изображения функциональной области GST до (а) и после (б)
резистивного переключения Fig. 2. Optical images of the GST functional area before (a) and after (b) resistive switching
Наблюдаемые оптические изменения обусловлены различием спектральных характеристик n(X) и k(X) материала GST, полученных в области переключения до и после электрического воздействия: An ~ 1,0, Ak ~ 0,5 при X = 650 нм (рис. 3, а). На основе полученных спектральных характеристик с помощью математической модели Тауца -Лоренца для исследуемых структур проведен расчет оптической ширины запрещенной зоны А£'°пт [31, 32]. Результаты расчета показали, что А£'°пт исходной пленки GST равна 0,7 эВ, а после переключения составляет 0,4 эВ. Полученные значения коррелируют с литературными данными и соответствуют значениям А^™1 для материала GST в аморфном [33] и кристаллическом [32] состояниях.
Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициента экстинкции k и показателя преломления n от длины
волны X (а) и КР-спектры (б) функциональной области GST до (-) и после (• • •) резистивного
переключения
Fig. 3. Spectral dependence of the extinction coefficient k and refractive index n on the wavelength X (a) and Raman spectra (b) of the GST functional region before (-) and after (• • •) resistive switching
Анализ результатов спектроскопии КР света в данной области показал, что формы КР-спектров материала GST, полученных до и после переключения, существенно различаются (рис. 3, б). Это также подтверждает произошедшие структурные изменения вследствие приложенного электрического воздействия. Отметим, что в работе [34] при сравнении результатов спектроскопии КР света и рентгенофазового анализа свежеоса-жденных и термически обработанных тонких пленок GST установлено, что изменение формы КР-спектров обусловлено кристаллизацией исходной аморфной области GST в fcc-структуру.
Расчет тепловых параметров и температурное моделирование. Кристаллизация аморфных тонких пленок материала Ge2Sb2Te5 толщиной 30 нм начинается при температуре Ткр ~ 145 оС [35]. Для того чтобы полностью закристаллизовать пленку данного материала под воздействием электрического импульса, необходимо нагреть ее выше Ткр -до температур ~ 200-220 оС [1]. Для того чтобы разогреть функциональную область GST толщиной 30 нм и площадью 100 х 100 мкм от комнатной температуры (25 оС) до 200 оС, необходимо затратить 63 нДж тепла, рассчитанного по формуле
QPST = c mAt = c p VAt
£>кр ам амгам i
где сам = 213 Дж/(кг-К) [36] - удельная теплоемкость пленки; m - масса материала GST; At - разница между начальной (комнатной) и конечной температурами GST; Рам = 5900 кг/м [29] - плотность пленки; V- объем, занимаемый тонкой пленкой.
Если через резистивный Ni-нагреватель (RNi = 1 Ом) толщиной 150 нм пропустить одиночный импульс амплитудой U = 2,1 В и длительностью t = 200 мс, то выделится
~ 0,8 Дж тепла, что с учетом теплового рассеяния существенно больше QQ
GST ,
кР :
Ni U2t
RNi
ÔN1 =
Компьютерное моделирование распространения тепловых потоков методом конечных элементов с использованием специализированного программного обеспечения показало хорошую корреляцию модели с экспериментально полученными данными. Согласно результатам моделирования в структуре выбранной геометрии максимальное распределение плотности тока достигается в самой узкой части нагревательного элемента, в которой расположена переключаемая область GST. При протекании электрического тока через разработанную и изготовленную структуру в самой узкой части нагревателя функциональная область GST разогревается до температуры ~ 218 оС (рис. 4, а) при приложении напряжения U = 2,1 В (рис. 4, б). Расчет построенной муль-тифизической модели осуществляли на основе интерполяции экспериментальных результатов. Моделирование процесса теплопередачи проводили с использованием закона теплопроводности:
pCpiNT = V(kVT)+Qp,
расчеты распределений электрического тока и потенциала проводили с помощью соотношений:
Qp = Vj = oE, E = -VU,
где p - плотность твердого тела, кг/м3; Cp - удельная теплоемкость твердого тела, Дж/(кг-К); u - поле скорости перемещения жидкости / газа при конвективном теплообмене, м/с; VT - градиент температуры; k - коэффициент теплопроводности твердого
2 2 тела, Дж/(Вт-К); Qp - джоулев тепловой поток, Вт/м ; j - плотность тока, А/м ; а - электропроводность, См/м; VU - градиент напряжения.
Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования разработанной структуры: а - карта распределения температуры; б - карта распределения электрического потенциала Fig. 4. Computer simulation results of the developed structure: a - temperature distribution map;
b - electrical potential distribution map
Заключение. Полученные результаты демонстрируют возможность применения разработанной и изготовленной структуры для создания элементов энергонезависимых активных оптических и оптоэлектронных устройств, в том числе устройств отображения информации. Данная структура может быть использована для дальнейшей разработки и оптимизации технологии изготовления оптических и оптоэлектронных устройств, обеспечивающих контролируемое изменение прошедшего / отраженного оптического сигнала с помощью резистивного нагревательного элемента, в том числе для разработки и создания оптоэлектронного устройства с обратимо-перестраиваемой дифракционной решеткой, формируемой в поле сканирования лазерным излучением фемтосекундной длительностью [37].
Литература
1. Guo P., Sarangan A. M., Agha I. A review of germanium-antimony-telluride phase change materials for non-volatile memories and optical modulators // Appl. Sci. 2019. Vol. 9. Iss. 3. Art. No. 530. https://doi.org/ 10.3390/app9030530
2. Wide bandgap phase change material tuned visible photonics / W. Dong, H. Liu, J. K. Behera et al. // Adv. Funct. Mater. 2019. Vol. 29. Iss. 6. Art. ID: 180618. https://doi.org/10.1002/adfm.201806181
3. Wuttig M., Bhaskaran H., Taubner T. Phase-change materials for non-volatile photonic applications // Nature Photon. 2017. Vol. 11. Iss. 8. P. 465-476. https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.126
4. Козюхин С. А., Лазаренко П. И., Попов А. И., Еременко И. Л. Материалы фазовой памяти и их применение // Успехи химии. 2022. Т. 91. № 9. Ст. RCR5033. EDN: MPYYZG.
5. Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory / C. Ríos, M. Stegmaier, P. Hosseini et al. // Nature Photon. 2015. Vol. 9. Iss. 11. P. 725-732. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.182
6. Low power reconfigurable multilevel nanophotonic devices based on Sn-doped Ge2Sb2Te5 thin films / P. Lazarenko, V. Kovalyuk, P. An et al. // Acta Mater. 2002. Vol. 234. Art. ID: 117994. https://doi.org/ 10.1016/j.actamat.2022.117994
7. Optical switching at 1.55 ^m in silicon racetrack resonators using phase change materials / M. Rudé, J. Pello, R. E. Simpson et al. // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103. Iss. 14. Art. No. 141119. https://doi.org/ 10.1063/1.4824714
8. Active control of surface plasmon waveguides with a phase change material / M. Rudé, R. E. Simpson, R. Quidant et al. // ACS Photonics. 2015. Vol. 2. Iss. 6. P. 669-674. https://doi.org/10.1021/ acsphotonics.5b00050
9. All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities / J. Feldmann, N. Youngblood, C. D. Wright et al. // Nature. 2019. Vol. 569. No. 7755. P. 208-214. https://doi.org/ 10.1038/s41586-019-1157-8
10. A neuromorphic device implemented on a salmon-DNA electrolyte and its application to artificial neural networks / D.-H. Kang, J.-H. Kim, S. Oh et al. // Adv. Sci. 2019. Vol. 6. Iss. 17. Art. ID: 1901265. https://doi.org/10.1002/advs.201901265
11. Hosseini P., Wright C. D., Bhaskaran H. An optoelectronic framework enabled by low-dimensional phase-change films // Nature. 2014. Vol. 511. No. 7508. P. 206-211. https://doi.org/10.1038/nature13487
12. Ríos C., Hosseini P., Taylor R. A., Bhaskaran H. Color depth modulation and resolution in phase-change material nanodisplays // Adv. Mater. 2016. Vol. 28. Iss. 23. P. 4720-4726. https://doi.org/10.1002/ adma.201506238
13. A nonvolatile phase-change metamaterial color display / S. G.-C. Carrillo, L. Trimby, Y.-Y. Au et al. // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7. Iss. 18. Art. ID: 1801782. https://doi.org/10.1002/adom.201801782
14. Polarization-independent actively tunable colour generation on imprinted plasmonic surfaces / D. Franklin, Y. Chen, A. Vazquez-Guardado et al. // Nat. Commun. 2015. Vol. 6. No. 1. Art. No. 7337. https://doi.org/10.1038/ncomms8337
15. Thermal camouflage based on the phase-changing material GST / Y. Qu, Q. Li, L. Cai et al. // Light Sci. Appl. 2018. Vol. 7. No. 1. Art. No. 26. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0038-5
16. Kim C., Kim Y., Lee M. Laser-induced tuning and spatial control of the emissivity of phase-changing Ge2Sb2Te5 emitter for thermal camouflage // Adv. Mater. Technol. 2022. Vol. 7. Iss. 8. Art. ID: 2101349. https://doi.org/10.1002/admt.202101349
17. Rewritable full-color computer-generated holograms based on color-selective diffractive optical components including phase-change materials / C.-Y. Hwang, G. H. Kim, J.-H. Yang et al. // Nanoscale. 2018. Vol. 10. Iss. 46. P. 21648-21655. https://doi.org/10.1039/C8NR04471F
18. Holographic image generation with a thin-film resonance caused by chalcogenide phase-change material / S.-Y. Lee, Y.-H. Kim, S.-M. Cho et al. // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. Art. No. 41152. https://doi.org/10.1038/ srep41152
19. Active-tuning and polarization-independent absorber and sensor in the infrared region based on the phase change material of Ge2Sb2Te5 (GST) / Z. Guo, X Yang, F. Shen et al. // Sci. Rep. 2018. Vol. 8. Art. No. 12433. https://doi.org/10.1038/s41598-018-30550-2
20. Electrical tuning of phase-change antennas and metasurfaces / Y. Wang, P. Landreman, D. Schoen et al. // Nat. Nanotechnol. 2021. Vol. 16. Iss. 6. P. 667-672. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00882-8
21. Stimuli-responsive dynamic metaholographic displays with designer liquid crystal modulators / I. Kim, M. A. Ansari, M. Q. Mehmood et al. // Adv. Mater. 2020. Vol. 32. Iss. 50. Art. No. 200466421. https://doi.org/ 10.1002/adma.202004664
22. Electrically switchable metallic polymer nanoantennas / J. Karst, M. Floess, M. Ubl et al. // Science. 2021. Vol. 374. Iss. 6567. P. 612-616. https://doi.org/10.1126/science.abj3433
23. Impact of disorder on optical reflectivity contrast of epitaxial Ge2Sb2Te5 thin films / M. Behrens, A. Lotnyk, U. Roß et al. // CrystEngComm. 2018. Vol. 20. Iss. 26. P. 3688-3695. https://doi.org/10.1039/ C8CE00534F
24. Device-level photonic memories and logic applications using phase-change materials / Z. Cheng, C. Rios, N. Youngblood et al. // Adv. Mater. 2018. vol. 30. Iss. 32. Art. ID: 1802435. https://doi.org/10.1002/ adma.201802435
25. Phase change memory technology / G. W. Burr, M. J. Breitwisch, M. Franceschini et al. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2010. Vol. 28. Iss. 2. P. 223-262. https://doi.org/10.1116/L3301579
26. Laser-induced modification of amorphous GST225 phase change materials / S. A. Kozyukhin, P. I. Lazarenko, Yu. V. Vorobyov et al. // Matériaux et Techniques. 2019. Vol. 107. No. 3. Art. No. 307. https://doi.org/10.1051/mattech/2019008
27. Du J., Mu Z., Li L., Li J. A Raman study on nanosecond-laser-induced multi-level switching of Ge2Sb2Te5 thin films // Opt. Laser Technol. 2021. Vol. 144. Art. ID: 107393. https://doi.org/10.1016/ j.optlastec.2021.107393
28. Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material / Y. Zhang, C. Fowler, J. Liang et al. // Nat. Nanotechnol. 2021. Vol. 16. Iss. 6. P. 661-666. https://doi.org/ 10.1038/s41565-021-00881-9
29. ITO-based microheaters for reversible multi-stage switching of phase-change materials: Towards miniaturized beyond-binary reconfigurable integrated photonics / H. Taghinejad, S. Abdollahramezani, A. A. Eftekhar et al. // Opt. Express. 2021. Vol. 29. Iss. 13. P. 20449-20462. https://doi.org/10.1364/0E.424676
30. Zhou T., Gao D., Cao Sh., Cheng Zh. Electrically tunable non-volatile reflective display pixel structure based on phase change material // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1544. Art. No. 012034. https://doi.org/ 10.1088/1742-6596/1544/1/012034
31. Comparison of methods to determine bandgaps of ultrathin Hf02 films using spectroscopic ellipsometry / M. Di, E. Bersch, A. C. Diebold et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2011. Vol. 29. Iss. 4. Art. ID: 041001. https://doi.org/10.1116/1.3597838
32. Optical constants acquisition and phase change properties of Ge2Sb2Te5 thin films based on spectrosco-py / Z. Xu, C. Chen, Z. Wang et al. // RSC Adv. 2018. Vol. 8. Iss. 37. P. 21040-21046. https://doi.org/10.1039/ C8RA01382A
33. Influence of the degree of crystallinity on the dispersion of the optical parameters of Ge2Sb2Te5 phase-change memory thin films / M. E. Fedyanina, P. I. Lazarenko, Yu. V. Vorobyov et al. // Semiconductors. 2020. Vol. 54. Iss. 13. P. 1775-1783. https://doi.org/10.1134/S1063782620130060
34. Peculiarities of crystallization process for Ge2Sb2Te5 thin films by nanosecond single laser pulse / P. Lazarenko, M. Savelyev, A. Sherchenkov et al. // Chalcogenide Lett. 2018. Vol. 15. No. 1. P. 25-33.
35. Electrophysical properties of Ge-Sb-Te thin films for phase change memory devices / P. I. Lazarenko, S. A. Kozyukhin, A. A. Sherchenkov et al. // Russ. Phys. J. 2017. Vol. 59. Iss. 9. P. 1417-1424. https://doi.org/ 10.1007/s11182-017-0925-x
36. Current-driven phase-change optical gate switch using indium-tin-oxide heater / K. Kato, M. Kuwahara, H. Kawashima et al. // Appl. Phys. Express. 2017. Vol. 10. No. 7. Art. No. 072201. https://doi.org/10.7567/APEX.10.072201
37. Direct single-pass writing of two-phase binary diffraction gratings in a Ge2Sb2Te5 thin film by femtosecond laser pulses / M. P. Smayev, P. I. Lazarenko, I. A. Budagovsky et al. // Opt. Laser Technol. 2022. Vol. 153. Art. ID: 108212. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108212
Статья поступила в редакцию 25.09.2023 г.; одобрена после рецензирования 22.11.2023 г.;
принята к публикации 10.04.2024 г.
Информация об авторах
Глухенькая Виктория Борисовна - инженер Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Пестов Григорий Николаевич - инженер Института интегральной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1, стр. 7), [email protected]
Гулидова Алла Ималиевна - студентка Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Сауров Михаил Александрович - аспирант Института интегральной электроники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер научно-исследовательской лаборатории мемристивных систем на основе самоорганизованных наноструктур НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1, стр. 7), [email protected]
Смирнов Петр Андреевич - студент Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер-исследователь Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук (Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 53), [email protected]
Федянина Мария Евгеньевна - аспирант Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Козлов Александр Олегович - ведущий инженер НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1, стр. 7), alex_kozlov@yahoo. com
Савицкий Андрей Иванович - кандидат технических наук, младший научный сотрудник Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1, стр. 7), [email protected]
References
1. Guo P., Sarangan A. M., Agha I. A review of germanium-antimony-telluride phase change materials for non-volatile memories and optical modulators. Appl. Sci., 2019, vol. 9, iss. 3, art. no. 530. https://doi.org/ 10.3390/app9030530
2. Dong W., Liu H., Behera J. K., Lu L., Ng R. J. H., Sreekanth K. V., Zhou X., Yang J. K. W., Simpson R. E. Wide bandgap phase change material tuned visible photonics. Adv. Funct. Mater., 2019, vol. 29, iss. 6, art. ID: 180618. https://doi.org/10.1002/adfm.201806181
3. Wuttig M., Bhaskaran H., Taubner T. Phase-change materials for non-volatile photonic applications. Nature Photon., 2017, vol. 11, iss. 8, pp. 465-476. https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.126
4. Kozyukhin S. A., Lazarenko P. I., Popov A. I., Eremenko I. L. Phase change memory materials and their applications. Russ. Chem. Rev., 2022, vol. 91, iss. 9, art. ID: RCR5033. https://doi.org/10.1070/RCR5033
5. Ríos C., Stegmaier M., Hosseini P., Wang D., Scherer T., Wright C. D., Bhaskaran H., Pernice W. H. P. Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory. Nature Photon., 2015, vol. 9, iss. 11, pp. 725-732. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.182
6. Lazarenko P., Kovalyuk V., An P., Kozyukhin S., Takáts V., Golikov A., Glukhenkaya V., Vorobyov Yu. et al. Low power reconfigurable multilevel nanophotonic devices based on Sn-doped Ge2Sb2Te5 thin films. Acta Mater., 2002, vol. 234, art. ID: 117994. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117994
7. Rudé M., Pello J., Simpson R. E., Osmond J., Roelkens G., Tol J. J. G. M. van der, Pruneri V. Optical switching at 1.55 ^m in silicon racetrack resonators using phase change materials. Appl. Phys. Lett., 2013, vol. 103, iss. 14, art. no. 141119. https://doi.org/10.1063/L4824714
8. Rudé M., Simpson R. E., Quidant R., Pruneri V., Renger J. Active control of surface plasmon waveguides with a phase change material. ACS Photonics, 2015, vol. 2, iss. 6, pp. 669-674. https://doi.org/10.1021/ acsphotonics.5b00050
9. Feldmann J., Youngblood N., Wright C. D., Bhaskaran H., Pernice W. H. P. All-optical spiking neurosynaptic networks with self-learning capabilities. Nature, 2019, vol. 569, no. 7755, pp. 208-214. https://doi.org/
10.1038/s41586-019-1157-8
10. Kang D.-H., Kim J.-H., Oh S., Park H.-Y., Dugasani S. R., Kang B.-S., Choi C., Choi R. et al. A neuromorphic device implemented on a salmon-DNA electrolyte and its application to artificial neural networks. Adv. Sci., 2019, vol. 6, iss. 17, art. ID: 1901265. https://doi.org/10.1002/advs.201901265
11. Hosseini P., Wright C. D., Bhaskaran H. An optoelectronic framework enabled by low-dimensional phase-change films. Nature, 2014, vol. 511, no. 7508, pp. 206-211. https://doi.org/10.1038/nature13487
12. Ríos C., Hosseini P., Taylor R. A., Bhaskaran H. Color depth modulation and resolution in phase-change material nanodisplays. Adv. Mater., 2016, vol. 28, iss. 23, pp. 4720-4726. https://doi.org/10.1002/ adma.201506238
13. Carrillo S. G.-C., Trimby L., Au Y.-Y., Nagareddy V. K., Rodriguez-Hernandez G., Hosseini P., Ríos C., Bhaskaran H., Wright C. D. A nonvolatile phase-change metamaterial color display. Adv. Opt. Mater., 2019, vol. 7, iss. 18, art. ID: 1801782. https://doi.org/10.1002/adom.201801782
14. Franklin D., Chen Y., Vazquez-Guardado A., Modak S., Boroumand J., Xu D., Wu S.-T., Chanda D. Polarization-independent actively tunable colour generation on imprinted plasmonic surfaces. Nat. Commun., 2015, vol. 6, no. 1, art. no. 7337. https://doi.org/10.1038/ncomms8337
15. Qu Y., Li Q., Cai L., Pan M., Ghosh P., Du K., Qiu M. Thermal camouflage based on the phase-changing material GST. Light Sci. Appl., 2018, vol. 7, no. 1, art. no. 26. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0038-5
16. Kim C., Kim Y., Lee M. Laser-induced tuning and spatial control of the emissivity of phase-changing Ge2Sb2Te5 emitter for thermal camouflage. Adv. Mater. Technol., 2022, vol. 7, iss. 8, art. ID: 2101349. https://doi.org/10.1002/admt.202101349
17. Hwang C.-Y., Kim G. H., Yang J.-H., Hwang C.-S., Cho S. M., Lee W.-J., Pi J.-E., Choi J. H. et al. Rewritable full-color computer-generated holograms based on color-selective diffractive optical components including phase-change materials. Nanoscale, 2018, vol. 10, iss. 46, pp. 21648-21655. https://doi.org/10.1039/ C8NR04471F
18. Lee S.-Y., Kim Y.-H., Cho S.-M., Kim G. H., Kim T.-Y., Ryu H., Kim H. N., Kang H. B. et al. Holographic image generation with a thin-film resonance caused by chalcogenide phase-change material. Sci. Rep., 2017, vol. 7, art. no. 41152. https://doi.org/10.1038/srep41152
19. Guo Z., Yang X., Shen F., Zhou Q., Gao J., Guo K. Active-tuning and polarization-independent absorber and sensor in the infrared region based on the phase change material of Ge2Sb2Te5 (GST). Sci. Rep., 2018, vol. 8, art. no. 12433. https://doi.org/10.1038/s41598-018-30550-2
20. Wang Y., Landreman P., Schoen D., Okabe K., Marshall A., Celano U., Wong H.-S. P., Park J., Brongersma M. L. Electrical tuning of phase-change antennas and metasurfaces. Nat. Nanotechnol., 2021, vol. 16, iss. 6, pp. 667-672. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00882-8
21. Kim I., Ansari M. A., Mehmood M. Q., Kim W.-S., Jang J., Zubair M., Kim Y.-K., Rho J. Stimuli-responsive dynamic metaholographic displays with designer liquid crystal modulators. Adv. Mater., 2020, vol. 32, iss. 50, art. no. 200466421. https://doi.org/10.1002/adma.202004664
22. Karst J., Floess M., Ubl M., Dingler C., Malacrida C., Steinle T., Ludwigs S., Hentschel M., Giessen H. Electrically switchable metallic polymer nanoantennas. Science, 2021, vol. 374, iss. 6567, pp. 612-616. https://doi.org/10.1126/science.abj3433
23. Behrens M., Lotnyk A., Roß U., Griebel J., Schumacher P., Gerlach J. W., Rauschenbach B. Impact of disorder on optical reflectivity contrast of epitaxial Ge2Sb2Te5 thin films. CrystEngComm, 2018, vol. 20, iss. 26, pp. 3688-3695. https://doi.org/10.1039/C8CE00534F
24. Cheng Z., Ríos C., Youngblood N., Wright C. D., Pernice W. H. P., Bhaskaran H. Device-level photonic memories and logic applications using phase-change materials. Adv. Mater., 2018, vol. 30, iss. 32, art. ID: 1802435. https://doi.org/10.1002/adma.201802435
25. Burr G. W., Breitwisch M. J., Franceschini M., Garetto D., Gopalakrishnan K., Jackson B., Kurdi B., Lam C. et al. Phase change memory technology. J. Vac. Sci. Technol. B, 2010, vol. 28, iss. 2, pp. 223-262. https://doi.org/10.1116/L3301579
26. Kozyukhin S. A., Lazarenko P. I., Vorobyov Yu. V., Savelyev M. S., Polokhin A. A., Glukhenkaya V. B., Sherchenkov A. A., Gerasimenko A. Yu. Laser-induced modification of amorphous GST225 phase change materials. Matériaux et Techniques, 2019, vol. 107, no. 3, art. no. 307. https://doi.org/10.1051/
mattech/2019008
27. Du J., Mu Z., Li L., Li J. A Raman study on nanosecond-laser-induced multi-level switching of Ge2Sb2Te5 thin films. Opt. Laser Technol., 2021, vol. 144, art. ID: 107393. https://doi.org/10.1016/ j.optlastec.2021.107393
28. Zhang Y., Fowler C., Liang J., Azhar B., Shalaginov M. Y., Deckoff-Jones S., An S., Chou J. B. et al. Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material. Nat. Nanotechnol., 2021, vol. 16, iss. 6, pp. 661-666. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00881-9
29. Taghinejad H., Abdollahramezani S., Eftekhar A. A., Fan T., Hosseinnia A. H., Hemmatyar O., Dorche A. E., Gallmon A., Adibi A. ITO-based microheaters for reversible multi-stage switching of phase-change materials: Towards miniaturized beyond-binary reconfigurable integrated photonics. Opt. Express, 2021, vol. 29, iss. 13, pp. 20449-20462. https://doi.org/10.1364/0E.424676
30. Zhou T., Gao D., Cao Sh., Cheng Zh. Electrically tunable non-volatile reflective display pixel structure based on phase change material. J. Phys.: Conf. Ser., 2020, vol. 1544, art. no. 012034. https://doi.org/10.1088/ 1742-6596/1544/1/012034
31. Di M., Bersch E., Diebold A. C., Consiglio S., Clark R. D., Leusink G. J., Kaack T. Comparison of methods to determine bandgaps of ultrathin Hf02 films using spectroscopic ellipsometry. J. Vac. Sci. Technol. A, 2011, vol. 29, iss. 4, art. ID: 041001. https://doi.org/10.1116/L3597838
32. Xu Z., Chen C., Wang Z., Wu K., Chong H., Ye H. Optical constants acquisition and phase change properties of Ge2Sb2Te5 thin films based on spectroscopy. RSC Adv., 2018, vol. 8, iss. 37, pp. 21040-21046. https://doi.org/10.1039/C8RA01382A
33. Fedyanina M. E., Lazarenko P. I., Vorobyov Yu. V., Kozyukhin S. A., Dedkova A. A., Yakubov A. O., Levitskii V. S., Sagunova I. V., Sherchenkov A. A. Influence of the degree of crystallinity on the dispersion of the optical parameters of Ge2Sb2Te5 phase-change memory thin films. Semiconductors, 2020, vol. 54, iss. 13, pp. 1775-1783. https://doi.org/10.1134/S1063782620130060
34. Lazarenko P., Savelyev M., Sherchenkov A., Gerasimenko A., Kozyukhin S., Glukhenkaya V., Polokhin A., Shaman Y., Vinogradov A. Peculiarities of crystallization process for Ge2Sb2Te5 thin films by nanosecond single laser pulse. Chalcogenide Lett., 2018, vol. 15, no. 1, pp. 25-33.
35. Lazarenko P. I., Kozyukhin S. A., Sherchenkov A. A., Babich A. V., Timoshenkov S. P., Gromov D. G., Zabolotskaya A. V., Kozik V. V. Electrophysical properties of Ge-Sb-Te thin films for phase change memory devices. Russ. Phys. J., 2017, vol. 59, iss. 9, pp. 1417-1424. https://doi.org/10.1007/s11182-017-0925-x
36. Kato K., Kuwahara M., Kawashima H., Tsuruoka T., Tsuda H. Current-driven phase-change optical gate switch using indium-tin-oxide heater. Appl. Phys. Express, 2017, vol. 10, no. 7, art. no. 072201. https://doi.org/10.7567/APEX.10.072201
37. Smayev M. P., Lazarenko P. I., Budagovsky I. A., Yakubov A. O., Borisov V. N., Vorobyov Yu. V., Kunkel T. S., Kozyukhin S. A. Direct single-pass writing of two-phase binary diffraction gratings in a Ge2Sb2Te5 thin film by femtosecond laser pulses. Opt. Laser Technol., 2022, vol. 153, art. ID: 108212. https://doi.org/ 10.1016/j.optlastec.2022.108212
The article was submitted 25.09.2023; approved after reviewing 22.11.2023;
accepted for publication 10.04.2024.
Information about the authors
Victoria B. Glukhenkaya - Engineer of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Grigory N. Pestov - Engineer of the Institute of Integrated Electronics, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer, SMC "Technological Centre" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1, bld. 7), [email protected]
Alla I. Gulidova - Student, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Mikhail A. Saurov - PhD student of the Integrated Electronics Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer of the Research Laboratory of Memristive Systems Based on Self-Organized Nanostructures, SMC "Technological Centre" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1, bld. 7), [email protected]
Peter A. Smirnov - Student of the National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Research Engineer of the P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (Russia, 119991, Moscow, Leninsky ave., 53), [email protected]
Mariya E. Fedyanina - PhD student of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Aleksander O. Kozlov - Leading Engineer, SMC "Technological Centre" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1, bld. 7), [email protected]
Andrey I. Savitskiy - Cand. Sci. (Eng.), Junior Scientific Researcher of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Junior Scientific Researcher of the Research Laboratory of Advanced Processes, SMC "Technological Centre" (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1, bld. 7), [email protected]
✓-\
Уважаемые авторы и читатели!
Вышел в свет журнал SEMICONDUCTORS
Vol. 57, No. 1,2023. - ISSN PRINT: 1063-7826, ISSN ONLINE: 1090-6479,
в котором опубликованы избранные статьи журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника».
http://pleiades.online http://link.springer.com
