Н.В. Вишняков – к.т.н., доцент,  кафедра «Микро- и наноэлектроника», Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина E-mail: rcpm-rgrtu@yandex.ru; rcpm@rsreu.ru

С.П. Вихров – Засл. деятель науки РФ, д.ф.-м.н., профессор, гл. науч. сотрудник,

НИИ «Фотон» Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина E-mail: vikhrovsergey@mail.ru

Н.М. Толкач – к.ф-м.н., мл. науч. сотрудник, 

Институт перспективных материалов и технологий НИУ «МИЭТ» Е-mail: n.m.tolkach@gmail.com

Постановка проблемы. Для интегральных оптических систем перспективными являются материалы с фазовыми переходами, в частности, халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП) системы Ge-Sb-Te (GST). Актуальным является развитие диагностических методов для их исследования.

Цель. Предложить методику комплексной диагностики GST-структур с применением разных методов в едином измерительном цикле.

Результаты. Представлены результаты и методика комплексной диагностики локальных участков пленки GST, позволяющая в едином измерительном цикле проводить исследования методами фотометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), атомно-силовой микроскопии, оптической микроскопии, лазерной модификации. Предложен алгоритм расчета комплексного показателя преломления по значениям отражательной и пропускательной способностей при нормальном падении оптических лучей. С помощью этого алгоритма определялись фазовые состояния локальных областей пленки GST, которые соответствовали результатам КРС. В спектрах КРС наблюдалось уменьшение интенсивности пика в области комбинационного сдвига – 130 см−1 для аморфной пленки GST, что связано с переходом атома Ge из октаэдрического в тетраэдрическое окружение атомов Te и снижением твердости атомных связей Ge-Te. Пик в области рамановского сдвига – 145 см−1 соответствовал колебаниям атомных связей Sb-Te. Установлены параметры лазерных импульсов с длиной волны 403 нм для аморфизации и кристаллизации материала пленки GST. Аморфизация наблюдалась для лазерного импульса с длительностью  = 10 нс, периодом T = 200 нс и энергетической экспозицией H0 = 3,2 ± 0,03 нДж/мкм2. Кристаллизация наблюдалась для лазерного импульса с длительностью  = 30 нс, периодом T = 200 нс и энергетическим воздействием H0 = 2,8 ± 0,03 нДж/мкм2.

Практическая значимость. Предложенная методика будет полезна при диагностических исследованиях новых материалов  с фазовыми переходами для интегральной оптики.

1. Вишняков Н.В., Провоторов П.С., Толкач Н.М. Оптимизация параметров тонкопленочной структуры на основе Ge2Sb2Te5 для оптических переключателей // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2018. № 4-2 (66). С. 2−8. DOI: 10.21667/1995-4565-2018-66-4-2-2-8.
2. Nguyen H.P., Kozyukhin S.A., Pevtsov A.B. Influence of bismuth on the optical properties of Ge2Sb2Te5 thin films // Semiconductors. 2014. Т. 48. № 5. P. 577−583. DOI: 10.1134/S1063782614050169.
3. Шерченков А.А., Бабич А.В., Лазаренко П.И. Влияние легирования In на свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5, применяемых в устройствах фазовой памяти // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2012. № 4-2 (42). С. 81−88.
4. Козюхин С.А., Шерченков А.А. Перспективы применения халькогенидных сплавов в элементах фазовой памяти // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2009. № 4-S1 (30). С. 81−87.
5. Kozyukhin S.A., Lazarenko P.I., Vorobyov Y.V., Savelyev M.S., Polokhin A.A., Glukhenkaya V.B., Sherchenkov A.A., Gerasimenko A.Y. Laser-induced modification of amorphous GST225 phase change materials // Matériaux & Techniques. 2018. V. 180070. P. 1−6. DOI: 10.1051/mattech/2019008.
6. Siegel J., Gawelda W., Puerto D., Dorronsoro C., Solis J., Afonso C.N., De Sande J.C.G., Bez R., Pirovano A., Wiemer C. Amorphization dynamics of Ge2Sb2Te5 films upon nano- and femtosecond laser pulse irradiation // Journal of Applied Physics. 2008. Т. 103. № 023516. P. 1−7. DOI: 10.1063/1.2836788.
7. Fuxi G., Yang W. Laser Pulse-Induced Amorpization Process // Data Storage at the Nanoscale: Advances and Applications. Taylor & Francis Group. 2015. P. 190−194. DOI: 10.1201/b18094.
8. Born M., Wolf E. An absorbing film on a transparent substrate // Principles of optics. 7th ed. Cambridge: Cambridge University Press. 2003. P. 753−754. DOI: 10.1017/CBO9781139644181.023.
9. Родионов С.А., Гутман Е.И. Оптимизация нелинейных систем // В кн. «Расчет и конструирование механизмов и деталей приборов». Л.: Машиностроение. 1975. С. 5−37.
10. Авачев А.П., Авачева Т.Г., Вишняков Н.В., Воробьев Ю.В., Гудзев В.В., Мальцев М.В., Рыбин Н.Б. Исследование состава и толщины пленок Ge–Sb–Te с помощью рентгеновского анализа и атомно-силовой микроскопии // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2013. № 4-3 (46). С. 79−82.
11. Kolobov A.V., Fons P., Tominaga J., Frenkel A.I., Ankudinov A.L., Yannopoulos S.N., Andrikopoulos K.S. and Uruga T. Why PhaseChange Media Are Fast and Stable: A New Approach to an Old Problem // Japanese Journal of Applied Physics. 2005. V. 44. № 5B. P. 3345−3349. DOI: 10.1143/JJAP.44.3345.
12. Abrikosov N.K., Danilova-Dobryakova G.T. An investigation of the structural diagram of Sb2Te3-GeTe // Neorg. Mater. 1965. V. 1. № 2. P. 204−207.
13. Avachev A.P., Vikhrov S.P., Vishnyakov N.V., Mitrofanov K.V., Kozyukhin S.A., Terukov E.I. Phase transitions in thin Ge2Sb2Te5 chalcogenide films according to Raman spectroscopy data // Semiconductors. 2012. V. 46. № 5. P. 591−594. DOI: 10.1134/S1063782612050041.