Efekti jonizujućeg zračenja u fazno promenljivim memorijama

Abstract

Efekti zračenja u materijalima i elektronskim komponentama / Radiation Effects in Materials and Electronic Components

Fazno promenljive memorije ubrajaju se u neke od najaktuelnijih postojanih memorija zbog relativno jednostavnog načina proizvodnje, velike izdržljivosti, velike brzine upisa/brisanja i male potrošnje. One koriste jedinstvenu osobinu fazno promenljivih materijala da poseduju veliku razliku otpornosti između kristalnog i amorfnog stanja i uz to imaju mogućnost veoma brze kristalizacije. Ova disertacija se bavi ispitivanjem efekata jonizujućeg zračanja u fazno promenljivim memorijama, što je od značaja usled sve veće primene memorija u različitim radijacionim sredinama. Numeričkim proračunima ispitivani su efekti koje snopovi protona, alfa čestica, jona gvožđa i argona, različitih energija, proizvode u fazno promenljivih memorijama sa fazno promenljivim materijalom različitih debljina. Kao fazno promenljivi materijali korišćeni su halkogena jedinjenja: Ge2Sb2Te5 i AgSbSe2. Prolaskom protona, alfa čestica, Fe i Ar jona kroz ćeliju FPM-a, oni gube svoju energiju na jonizaciju, izmeštanje atoma ili fononsko pobuđivanje rešetke. Svi ovi tipovi energetskih gubitaka su posebno analizirani. Proračunate su vrednosti jonizacionih doza i doza izmeštanja, kao i fononski gubici za ispitivane naelektrisane čestice i fazno promenljivu memoriju. Dobijeno je da su jonizacioni gubici u AgSbSe2 materijalu veći u odnosu na Ge2Sb2Te5 materijal, za jone posmatranih energija. Analizom izmeštanja atoma iz njihovog položaja u rešetki, ustanovljeno je da je AgSbSe2 materijal otporniji na izmeštanje atoma usled prolaska ispitivanog zračenja. Najveća doza izmeštanja je dobijena u slučaju prolaska jona gvožđa kroz fazno promenljivu memorijsku ćeliju. Izmeštanje atoma u fazno promenljivim materijalima može dovesti do amorfizacije materijala, jer izmešteni atomi mogu narušiti uređenu rešetku kristalnog stanja. Uticaj brzih teških jona velikog linearnog prenosa energije na fazno promenljive materijale je od posebnog značaja, i ustanovljeno je da bi usled sve veće miniturizacije fazno promenljivih memorija moglo doći do odstupanja od redovnog rada fazno promenljive memorije usled amorfizacije materijala oko trajektorije ovih upadnih jona, što može dovesti do promene stanja ćelije. Detaljnom analizom, koja je obuhvatala ispitivanje efekata na različitim temperaturama, ustanovljeno je da se u AgSbSe2 materijalu proizvodi manji sloj amorfizovanog materijala nego u slučaju Ge2Sb2Te5 materijala, dakle on je za nijansu otporniji na uticaj ove vrste zračenja. Dobijeni rezultati su od značaja u inženjerskoj praksi zbog sve veće primene postojanih memorija u nuklearnoj tehnici i svemirskoj tehnologiji. Dalje, prikazani rezultati mogu biti od značaja proizvođačima komercijalnih fazno promeneljivih memorijskih komponenata, kako bi se izradile fazno promenljive memorijske ćelije optimalne strukture za korišćenje u poljima jonizujućeg zračenja.

Phase change memory is an emerging non-volatile memory technology due to relatively easy fabrication of these memories, high endurance, fast read/write and low energy consumption. It uses the unique property of phase change materials to have a pronounced contrast in resistivity between their crystalline and amorphous state with very fast crystallization kinetics. In this dissertation, radiation effects in phase change memories are being analysed, corresponding to greater interest in this subject, due to widely spreed usage of these memories in different radiation fields. Numerical calculations are being carried out in order to estimate the effects of proton, alpha, Fe and Ar ions of different energies, produced in Ge2Sb2Te5 and AgSbSe2 phase change materials with various thicknesses. When protons and ions traverse the material, they lose their energy on ionization, atom displacements and the production of phonons and all of these losses have been fully analysed. Ionizing and nonionizing energy losses, phonon losses, as well as absorbed dose and displacement damage dose in the phase change memories for investigated charged particles and examined cells have been calculated. It is shown that the ionizing losses are greater in AgSbSe2 material compared to Ge2Sb2Te5 material. By analyzing the displacements of atoms from their lattice sites, it has been found that AgSbSe2 is more robust to this kind of damage than Ge2Sb2Te5 material. The highest damage has been observed in the case of heavy ions (Fe) interactions. Radiation could induce the amorphization (crystalline to amorphous phase transition) in the phase change memory cell by creating a large number of atomic displacements which disrupt the highly ordered lattice structure of the crystalline phase. The effects of ions with high linear energy transfer (i.e. swift heavy ions) on phase change memories have been of special interest, due to theirs unique properties. It has been established that due to constant reduction of dimensions of phase change memory cells, amorphization in the vacancy of ions tracks, called latent tracks, could disrupt the functionality of memory cells. Comprehensive analysis, including calculations involving different temperatures, showed that radius of latent track is smaller in AgSbSe2 material, compared to Ge2Sb2Te5. All obtained results are of great importance for engineering practice due various applications of non-volatile memories in nuclear technologies and space environment. Furthermore, these results can also be of interest for commercial purposes, allowing the manufacturers of phase change memories to develop the phase change memories of optimal design, considering radiation hardness of the memory.