First-principles simulations of amorphous GeSe compounds for memory selectors

Abstract

Ovonic Threshold Switching (OTS) és un fenomen no lineal de corrent-voltatge que es dona en certs materials amorfs. Recentment, els dispositius selectors OTS basats en compostos calcogenurs s’han integrat amb èxit a les innovadores memòries de canvi de fase (CRAM) en forma de commutadors de barres creuades 3D. El selector controla l’accessibilitat i la qualitat de la transmissió de dades dins i fora de tota la cèl·lula de memòria. Els compostos a-GexSe1-x es troben entre els més prometedors per a aquesta aplicació.

Per al disseny i l'optimització d'aquests materials és indispensable comprendre’n les propietats electròniques i les característiques estructurals relacionades. Aquest treball aborda alguns dels problemes més significatius relacionats amb la modelització per Primers Principis dels materials amorfs. S’han utilitzat mètodes basats en la teoria del funcional de la densitat (DFT) per aconseguir caracteritzar les propietats estructurals i electròniques del a-GexSe1-x no dopat i dopat.

Hem desenvolupat un model estructural realista del a-GexSe1-x fent ús de la teoria del funcional de la densitat. A partir d’aquesta, s’ha generat una sèrie de a-GexSe1-x amb una àmplia llista d’estequiometries (x = 0,4, 0,5, 0,6) i dopants (Si, As, P, S, Te) en diverses concentracions (1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 15%) utilitzant el mètode de fusió i refredament ràpid.

Per a cada mostra, hem analitzat les propietats estructurals i electròniques. Es determina quina és la relació d'aquestes amb les propietats estructurals dels estats localitzats dins del mobility gap. Els nostres resultats indiquen que es detecten clústers de Ge o Se en estructures riques en Ge o Se, respectivament; les estructures riques en Ge tendeixen a presentar un número de coordinació més gran, oposadament al cas de les estructures riques en Si. S’han trobat primeres capes de veïns Ge-Se ben definides, similars a l’enllaç Ge-Se en l’estructura cristal·lina de GeSe.

Hem analitzat les propietats electròniques, incloent-hi la inversa de la ràtio de partició i la densitat d'estats. També hem analitzat la correlació entre les seves característiques més rellevants i l'estructura microscòpica dels nostres models. Hem trobat que el mobility gap és molt sensible a la composició al voltant del compost estequiomètric GeSe, i en particular, que disminueix amb la concentració de Ge, fins al punt de tornar-se essencialment metàl·lica ja per a x = 0,6.

S'han determinat els motius estructurals en l’origen dels estats localitzats en el mobility gap. Específicament, s'ha trobat que els estats localitzats es deuen predominantment als enllaços Se-Se i a una contribució menor dels parells solitaris de Se i dels tetraedres. Aquestes configuracions d’enllaç són a l’origen dels estats de cua de la banda de conducció i valència, que condueixen a la conducció no lineal en OTS. La mostra a-Ge0.6Se0.4 és metàl·lica.

Addicionalment, hem generat i estudiat l’estructura de tres compostos a-GexSe1-x en presència de diferents dopants (Si, As, P, S, Te) amb diverses estequiometries (x = 0,4, 0,5, 0,6) i diverses concentracions (1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 15%). Els dopants es comporten de manera similar als seus ions hostes, amb algunes diferències subtils. Hem trobat un nou tipus de motiu, el germanium tetrachalcogenide cubane, que indica la presència d'acoblaments estructuralment ordenats en materials desordenats. S’ha explorat l’origen estructural de l’estat localitzat. En tots els dopants, el Ge bicoordinat i pentacoordinat generen estats localitzats. Pel a-GexSe1-x dopat amb Si i pnictògens, observem la presència d’un estat de defecte originat pel dopatge substitucional. En el dopatge amb calcogenurs, els parells solitaris de calcogenurs, els enllaços homopolar i el parell d’alternança de valència generen estats localitzats.

Els resultats obtinguts proporcionaran pautes per millorar el rendiment de commutació de memòria de a-GexSe1-x.

Ovonic Threshold Switching (OTS) es un fenómeno no lineal de corriente-voltaje que ocurre en ciertos materiales amorfos. Recientemente, los dispositivos selectores OTS basados en compuestos calcogenuros se han integrado con éxito en las innovadoras memorias de cambio de fase (CRAM) en forma de conmutadores de barras cruzadas 3D. El selector controla la accesibilidad y la calidad de la transmisión de datos dentro y fuera de cada célula de memoria. Los compuestos a-GexSe1-x se encuentran entre los más prometedores para esta aplicación.

Para el diseño y la optimización de estos materiales, es indispensable comprender sus propiedades electrónicas y las características estructurales relacionadas. Este trabajo aborda algunos de los problemas más significativos relacionados con la modelización por Primeros Principios de materiales amorfos. Se han utilizado métodos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) para caracterizar las propiedades estructurales y electrónicas del a-GexSe1-x no dopado y dopado.

Hemos desarrollado un modelo estructural realista del a-GexSe1-x utilizando la teoría del funcional de la densidad. A partir de este modelo, se ha generado una serie de a-GexSe1-x con una amplia lista de estequiometrías (x = 0,4, 0,5, 0,6) y dopantes (Si, As, P, S, Te) en diversas concentraciones (1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 15%) utilizando el método de fusión y enfriamiento rápido.

Para cada muestra, hemos analizado las propiedades estructurales y electrónicas. Se ha determinado cuál es la relación entre estas y las propiedades estructurales de los estados localizados dentro del mobility gap. Nuestros resultados indican que se detectan cúmulos de Ge o Se en estructuras ricas en Ge o Se, respectivamente; las estructuras ricas en Ge tienden a presentar un número de coordinación más alto, en contraste con las estructuras ricas en Si. Se han encontrado primeras capas de vecinos Ge-Se bien definidas, similares al enlace Ge-Se en la estructura cristalina de GeSe.

Hemos analizado las propiedades electrónicas, incluyendo la inversa de la razón de partición y la densidad de estados. También hemos analizado la correlación entre sus características más relevantes y la estructura microscópica de nuestros modelos. Hemos encontrado que el mobility gap es muy sensible a la composición alrededor del compuesto estequiométrico GeSe, y en particular, que disminuye con la concentración de Ge, hasta el punto de volverse esencialmente metálico ya para x = 0,6.

Se han determinado los motivos estructurales en el origen de los estados localizados en el mobility gap. Específicamente, se ha encontrado que los estados localizados se deben predominantemente a los enlaces Se-Se y a una menor contribución de los pares solitarios de Se y los tetraedros. Estas configuraciones de enlace son el origen de los estados de cola de la banda de conducción y valencia, que conducen a la conducción no lineal en OTS. La muestra a-Ge0.6Se0.4 es metálica.

Adicionalmente, hemos generado y estudiado la estructura de tres compuestos a-GexSe1-x en presencia de diferentes dopantes (Si, As, P, S, Te) con varias estequiometrías (x = 0,4, 0,5, 0,6) y diversas concentraciones (1%, 3%, 5%, 7%, 10%, 15%). Los dopantes se comportan de manera similar a sus iones huéspedes, con algunas diferencias sutiles. Hemos encontrado un nuevo tipo de motivo, el germanium tetrachalcogenide cubane, que indica la presencia de acoplamientos estructuralmente ordenados en materiales desordenados. Se ha explorado el origen estructural del estado localizado. En todos los dopantes, el Ge bicoordinado y pentacoordinado generan estados localizados. Para el a-GexSe1-x dopado con Si y pnictógenos, observamos la presencia de un estado de defecto originado por el dopaje sustitucional. En el dopaje con calcogenuros, los pares solitarios de calcogenuros, los enlaces homopolares y el par de alternancia de valencia generan estados localizados.

Los resultados obtenidos proporcionarán pautas para mejorar el rendimiento de conmutación de memoria de a-GexSe1-x.

Ovonic Threshold Switching (OTS) is a nonlinear current-voltage phenomenon in certain amorphous materials. Recently, OTS selectors based on chalcogenide compounds have been successfully integrated with innovative phase-change memories in 3D cross-point arrays for switching memory. The selector controls data accessibility and transmission quality within and outside the entire memory cell. a-GexSe1-x are among the most promising compounds for this application.

Understanding electronic properties and the related structural features is crucial for designing and optimizing these materials. This work addresses some of the most significant challenges in generating amorphous materials using first-principles calculations. Density functional theory methods are used to gain new insights into the structural and electronic properties of the undoped and doped a-GexSe1-x.

We have developed realistic density functional theory-based structural models of a-GexSe1-x without resorting to experimental information or adjusted interatomic potential. A series of a-GexSe1-x with three stoichiometries (x = 0.4, 0.5, and 0.6) and dopants (Si, As, P, S, Te) with various concentrations (1%, 3%, 5%,7%, 10%, 15%) has been generated with the melt and quench protocol.

We analyze each sample's structural and electronic properties and unveil the link between each localized state's electronic and structural properties within the mobility gap. Our results indicate that the a-GexSe1-x is mainly Ge(3): Se(3) coordinated. The results show that there is Ge and Se clustering in Ge and Se-rich structures, respectively; the Ge-rich structures tend to have a larger coordination number, opposite to the Se-rich structures. Well-defined Ge-Se first-neighbor shells are found, similar to the Ge-Se bond in the GeSe crystalline structure.

We have analyzed the electronic properties, including the inverse partition ratio and the density of states. We have also analyzed the correlation between their most relevant features and the microscopic structure of our models. We have found that the mobility gap is very sensitive to the composition around the stochiometric GeSe compound, and in particular, that it decreases with Ge concentration, to the point of becoming essentially metallic already for x=0.6.

We show the structural motifs at the origin of the localized states in the mobility gap. Specifically, we found that the localized states are predominantly due to the Se-Se bonds and a minor contribution to Se lone pairs and tetrahedra. These bonding configurations are at the origin of conduction and valence band tail states, leading to nonlinear conduction in OTS. The a-Ge0.6Se0.4 sample is metallic.

We have also generated and studied the structure of the three a-GexSe1-x compounds in the presence of dopants species (Si, As, P, S, Te) with various concentrations (1%, 3%, 5%,7%, 10%, 15%). The dopants behave similarly with their iso-valent hosting ions, with some delicate differences. We found a new kind of structural motif, the germanium chalcogenide cubane, symbolizing the presence of structurally ordered assemblies in disordered materials. The structural origin of localized states has also been explored. Bicoordinated and pentacoordinated Ge give rise to localized states in all the dopants. For the Si-doped and pnictogen-doped a-GexSe1-x, we observe the presence of defect states originating from substitutional doping. In the case of chalcogenide doping, we also observe the chalcogenide lone pairs, homopolar bonds, and the valence alternation pair, all of which yield localized states.

These results are useful to understand the electronic properties of these materials and could help to provide guidelines for improving the memory-switching performance of a-GexSe1-x.