Estudio de la respuesta I-V en celdas de memoria de Sb70Te30

Abstract

Los vidrios calcogenuros se encuentran dentro del grupo de los materiales de cambio de fase y son prometedores en su aplicacion a memorias electronicas no volatiles. Bajo pulsos electricos, pueden ciclar entre dos estados estructurales amorfo y cristalino que estan bien diferenciados en su conductividad. Suponiendo que los mecanismos de cambio de fase dependen de la energia por unidad de volumen entregada al material sensible, es deseable construir celdas a escala micrometrica, considerando tambien que eventualmente podrian integrarse en procesos de fabricacion microelectronica. En un trabajo anterior, observamos una disminucion abrupta en la resistencia de las peliculas delgadas base Sb70Te30 depositadas por ablacion laser en un rango de temperatura de aproximadamente 445 K cuando la muestra se calienta a bajas velocidades. A partir de los resultados de la calorimetria diferencial de barrido y difraccion de rayos X en muestras obtenidas por el mismo metodo, asociamos el cambio de resistividad con el proceso de cristalizacion. En este trabajo, construimos dispositivos micrometricos de superficie rectangular con Sb70Te30 como material sensible, depositado sobre electrodos coplanares con espaciado L (8 y 16 μm) y ancho W (4, 8, 16, 32 y 64 μm). Medimos la respuesta de voltaje de los dispositivos cuando se excitan mediante barrido de corriente creciente y, entre barridos consecutivos medimos la resistencia aplicando un valor de voltaje constante. En las curvas I-V identificamos una transformacion del estado original a uno de menor resistencia, atribuible a la cristalizacion, pero no fue posible realizar la transformacion inversa a un estado de mayor resistencia. Partiendo del desconocimiento sobre la conductividad del material, simulamos el campo electrico en la celda mediante el Metodo de los Elementos Finitos. La conductividad electrica del vidrio calcogenuro en su estado inicial (amorfo) fue estimada a partir de ajustar su valor en las simulaciones con diferentes geometrias minimizando la diferencia entre las resistencias medidas y simuladas.

Chalcogenide glasses are within the group of phase change materials and are promising in their application to nonvolatile electronic memories. Under electrical pulses, they can circulate between two amorphous and crystalline structural states that are well differentiated in their conductivity. Assuming that the phase change mechanisms depend on the energy per unit volume delivered to the sensitive material, it is desirable to build cells on a micrometer scale, also considering that they could eventually be integrated into microelectronic manufacturing processes. In a previous work, we observed an abrupt decrease in the resistance of Sb70Te30 base thin films deposited by laser ablation in a temperature range of approximately 445 K when the sample is heated at low rates. From the results of differential scanning calorimetry and X-ray diffraction on samples obtained by the same method, we associate the change in resistivity with the crystallization process. In this work, we build micrometric devices with rectangular surface with Sb70Te30 as sensitive material, deposited on coplanar electrodes with spacing L (8 and 16 µm) and width W (4, 8, 16, 32 and 64 µm). We measure the voltage response of the devices when excited by scanning of increasing current and, between consecutive scanning, we measure the remaining resistance by applying a constant voltage value. In curves I-V, we identify a transformation from the original state to one of lower resistance, attributable to crystallization, but it was not possible to perform the reverse transformation to a state of higher resistance. Starting from the lack of knowledge about the conductivity of the material, we simulate the electric field in the cell using the Finite Element Method. The electrical conductivity of the chalcogenide glass in its initial state (amorphous) was estimated by adjusting its value in the simulations with different geometries, minimizing the difference between the measured and simulated resistances.