Phase change materials for non-volatile electronic memories

Salinga, Martin; Wuttig, Matthias

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-24170

Phase change materials for non-volatile electronic memories = Phasenwechselmaterialien für nichtflüchtige elektronische Datenspeicher

Salinga, Martin (Author)^RWTH*

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Stefan Salinga

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangXX, 203 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-06-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24170
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50106/files/Salinga_Martin.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Datenspeicherung (Genormte SW) ; Festkörper (Genormte SW) ; Festkörperphysik (Genormte SW) ; Amorpher Festkörper (Genormte SW) ; Amorpher Zustand (Genormte SW) ; Kristallisation (Genormte SW) ; Kristallin (Genormte SW) ; Kinetik (Genormte SW) ; Rekristallisationskinetik (Genormte SW) ; Tellurlegierung (Genormte SW) ; Antimon (Genormte SW) ; Antimonlegierung (Genormte SW) ; Germanium (Genormte SW) ; Germaniumlegierung (Genormte SW) ; Amorphisierung (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Phasenwechsel (frei) ; Phasenwechselmaterialien (frei) ; elektronisch (frei) ; PCRAM (frei) ; PRAM (frei) ; Phase change (frei) ; non-volatile (frei) ; memory (frei) ; crystallization (frei) ; kinetics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 64.70.dg * 64.70.ph * 61.43.Dq * 64.60.Ej * 64.60.qj

Kurzfassung
Ausgehend von einer kurzen Einführung in die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien werden zunächst die Anwendungen solcher Materialien auf dem Gebiet der Datenspeicherung betrachtet, ohne welche das Thema heute sicherlich auch auf Seiten der Grundlagenforschung weitaus weniger Beachtung fände. Optische Datenspeicher, die Phasenwechselmaterialien verwenden, werden schon seit vielen Jahren erfolgreich für den Massenmarkt hergestellt. Hier liegt also eine ausgereifte Technologie vor, bei der allerdings neue Ideen für nochmalige Verbesserungen vorliegen, mit denen für weitere Jahre Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Speichermedien erreicht werden könnte. Ganz anders sieht es für die Verwendung von Phasenwechselmaterialien in elektronischen Datenspeichern aus. Obgleich schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen, ist sie in ihrer heutigen Form eine recht junge, dabei aber überaus vielversprechende Technologie. Beide Anwendungen werden in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Anforderungen an die verwendeten Phasenwechselmaterialien analysiert, wobei der Schwerpunkt auf den elektronischen Speichern liegt. Dabei wird herausgearbeitet, dass sowohl für optische, aber gerade auch für elektronische Datenspeicher, das tiefe und damit auch quantitative Verständnis der Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien die dringendste und fundamentalste Fragestellung ist, die es in diesem Zusammenhang zu bearbeiten gilt. Damit wird implizit der verbreitete Ansatz kritisiert, gerade bei elektronischen Phasenwechselspeichern ohne eine entsprechend sorgfältige Studie der Kristallisationskinetik das Schaltverhalten zu erforschen. Nach der Identifizierung dieses Forschungsziels wird das Ergebnis einer ausgiebigen Literaturrecherche zur Theorie der Kristallisation präsentiert. Als überaus wichtig stellt sich dabei das Verständnis der Glasbildung heraus, da hierin die Stabilität eines amorphen Festkörpers bzw. einer unterkühlten Flüssigkeit gegen strukturelle Umordnung behandelt wird. Aus diesem Grund wird der Theorie der Glasbildung ein eigenes Kapitel gewidmet. Basierend auf dem Wissen um die theoretischen Zusammenhänge zwischen Glasübergang und Kristallisation wird untersucht, inwieweit von einer berechneten Atomisierungsenthalpie von Phasenwechselmaterialien ausgehend Aussagen über stöchiometrische Trends in deren Glasübergangstemperatur oder sogar über Veränderung in der Kristallisation getroffen werden können. Der Vergleich der berechneten Enthalpien mit den raren experimentellen Ergebnissen für die Glasübergangstemperatur von Phasenwechselmaterialien sowie mit Messungen zur Kristallisation zeigt, dass diese Strategie in der Tat eine Vorhersage über den Einfluss von Stöchiometrievariationen auf die Stabilität eines amorphen Phasenwechselmaterials gegen Kristallisation erlaubt. Bei der kritischen Behandlung der Literatur zur Kristallisationskinetik stellt sich heraus, dass die weit verbreitete klassische Kristallisationstheorie bislang noch nicht rigoros experimentell bestätigt werden konnte. Dies erweist sich deshalb als schwierig, weil die Vielzahl von quasi-freien Parametern in der Regel dafür sorgt, dass eine mathematische Übereinstimmung der Theorie mit den meist sehr begrenzten experimentellen Daten erreicht werden kann, ohne dass daraus unbedingt auf die Richtigkeit der Theorie geschlossen werden müsste. Bei Phasenwechselmaterialien stellt sich eine solche Überprüfung der Gültigkeit der Theorie als besonders schwierig heraus, da die Kristallisation in einem weiten Bereich hoher Temperaturen so schnell fortschreitet, dass eine experimentelle Quantifizierung von Nukleationsrate und Wachstumsgeschwindigkeit bisher nur in einem sehr begrenzten Regime niedriger Temperaturen möglich war. Eine Extrapolation solcher Daten über den gesamten Temperaturbereich hinweg bis hin zur Schmelztemperatur mittels der Formeln aus der klassischen Theorie wird darum als zu unsicher beurteilt. Um diese Lücke mit belastbaren Daten zu schließen und um damit den Weg für eine Entflechtung der elektronischen und der thermischen Effekte beim Schalten einer elektrischen Zelle zu bereiten, wurde ein neuer experimenteller Aufbau entworfen und realisiert. Er verbindet laserinduzierte thermische Experimente mit der Möglichkeit, elektrisch zu schalten und zu messen. Ergänzt werden diese beiden Zweige durch die Implementierung einer Steuerung für die Basistemperatur der Probe. Jeder dieser Kernbestandteile des neuen Messplatzes ist für sich genommen bereits ein technisch hoch entwickeltes Gerät, das seinen Benutzer in die Lage versetzt, Phasenwechselmaterialien auf schnellen Zeitskalen zu untersuchen. So werden etwa noch nie da gewesene Laserexperimente durchgeführt, die eine Entkopplung von Nukleation und Wachstum erlauben oder einen Weg zur quantitativen Bestimmung der Kristallisationskinetik in aus der Flüssigkeit abgeschreckten amorphen Phasen darstellen. Die letztgenannte Sorte amorpher Zustände ist von hoher technologischer Relevanz, da sie es sind, die beim Schalten in den Anwendungen erzeugt werden. Der neue Messplatz ist aber mehr als die bloße Summe seiner Teile. Die Kombination von optischen, elektrischen und thermischen Experimenten erschließt völlig neue Möglichkeiten. Dieses Potential wird in der Vorstellung von elektrischen Experimenten angedeutet, die zur Untersuchung des Phänomens des abrupten Einbruchs des Widerstands der amorphen Phase unter Anlegen eines elektrischen Feldes kritischer Stärke dient. Die Initialisierung einer ensprechenden Probe mittels gepulster Laserstrahlung erlaubt ein sauberes'' Experiment, dessen Randbedingungen, in diesem Fall sein Anfangszustand, nicht bereits durch die zu erforschende Eigenschaft selbst, nämlich das elektrische Verhalten, bestimmt ist. Eine solche schrittweise Vorgehensweise auf dem Weg von rein thermischen Experimenten hin zum Testen einer realistischen, aber komplexen Zelle eines phasenwechselbasierten elektronischen Datenspeichers ist notwendig, um die numerischen Simulationen sukzessive anzupassen. Diese Strategie ist essentiell, um ein wirkliches Verständnis der Schaltprozesse innerhalb einer solchen Zelle zu erreichen. Über diese technologisch wichtigen Messungen hinaus schafft der neue Aufbau die Voraussetzungen für eine Vielzahl weiterer optischer und elektrischer Experimente, die zur Erforschung der Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien wichtige Beiträge liefern können. Einige solcher Experimente werden beispielhaft am Ende dieser Arbeit vorgeschlagen.

Starting from a brief introduction into the physics of phase change materials their applications in the field of data storage are reviewed. Without the latter there would certainly be less attention paid to the topic today, even in basic research. For years now, optical data storage media based on phase change materials have been successfully produced for the mass market. Despite its maturity there are still new ideas on how to further improve this technology in order to stay competible with other storage media in the future. In contrast, for the application of phase change materials in electronic memories the situation is completely different. Although proposed decades ago, today it is still a rather young and promising technology. In this work both applications are analyzed with respect to their requirements to the incorporated phase change material, with an emphasis on the second one. For optical storage and especially in the case of electronic memories the author arrives at the conclusion, that the crystallization kinetics of phase change materials is the most urgent and fundamental problem that needs to be solved. The emphasis on a deep and quantitative understanding of this phenomenon implicitely criticizes the popular approach of studying the switching of electronic cells for phase change based memories without an in-depth research of the crystallization kinetics. After this identification of the research objective, the result of a thorough review of the literature on the theory of crystallization is presented. The understanding of glass formation turns out to be extremely important, since it deals with the stability of an amorphous solid or undercooled liquid against structural reconfiguration. Consequently, a separate chapter is dedicated to the theory of glass formation. Based on the knowledge of the theoretical connections between glass transition and crystallization it is investigated how meaningful a calculation of the enthalpy of atomization is for a prediction of stoichiometric trends not only of glass transition, but also of crystallization. The sparce experimental evidence on the glass transition temperature of phase change materials is compared to the calculated enthalpies. The same is done for a series of measurements of crystallization. These comparisons show that the proposed strategy works well for predicting the influence of a stoichiometric variation of a phase change material on its stability against crystallization. The author's critical review of the literature on crystallization kinetics reveals that the widely used classical crystallization theory still lacks a rigorous experimental prove of its validity. The latter is difficult, because the multitude of quasi-free parameters generally ensures a good mathematical agreement between theory and the often very limited experimental data. Such a check of validity of the theory is especially challenging for phase change materials: In a wide range of high temperatures crystallization proceeds so fast, that until now an experimental quantification of nucleation rate and crystal growth velocity was only possible in a rather limited regime of low temperatures. The extrapolation of such data over the whole temperature range up to the melting temperature by application of the equations provided by the classical theory is assessed to be too uncertain to be trusted. To close that gap with experimental evidence and to advance therewith towards a disentanglement of electronic and thermal effects involved in the switching of an electrical cell, a new experimental setup has been designed and realized. It combines laser induced annealing experiments with the capability to apply and measure fast electrical pulses. The implementation of a control of the sample's base temperature is an additional, valuable component. Each of the sections of the new setup on its own is already a sophisticated tool, that enables its user to investigate phase change materials on very short time scales. Examples for this are unprecedented laser experiments that have been performed by the author. Some of those innovatively separate crystal nucleation and growth. Others demonstrate a path towards a quantitative measurement of crystallization kinetics in the melt-quenched amorphous state. The latter is highly relevant for technology, since it is that amorphous phase, that is realized in applications. But the new setup is more than just the sum of its parts. The combination of optical, electrical and thermal experiments opens up a wide field of new possibilities. This is indicated by the demonstration of an electrical experiment for the investigation of the threshold-switching effect, the phenomenon describing an abrupt breakdown of the resistivity of the amorphous phase upon application of a critical electric field. The initialization of the sample by laser annealing allows for a clean'' experiment in which the starting conditions are not dependent on the property of interest itself, in this case the electrical behaviour. Such a successive approach from purely thermal experiments towards the testing of the realistic but complex cells of a phase change based electronic memory is necessary to stepwise synchronize the numerical simulations. This strategy is essential for achieving a deep understanding of the physical processes involved in the switching of such cells. Beyond these technologically important measurements the new setup is pioneering for a multitude of further optical and electrical experiments that are likely to make valuable contributions to the research of the physical properties of phase change materials. Examples for such experiments are proposed at the end of this work.

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