Electrical transport in crystalline phase change materials

Woda, Michael; Wuttig, Matthias

doi:31702

Electrical transport in crystalline phase change materials = Elektrische Transporteigenschaften kristalliner Phasenwechselmaterialien

Woda, Michael (Author)

2010 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Woda

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangGetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Prüfungsjahr: 2010. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-11-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39153
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82659/files/3915.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Metall-Isolator-Phasenumwandlung (Genormte SW) ; Leitfähigkeit (Genormte SW) ; Nichtflüchtiger Speicher (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Elektrischer Transport (frei) ; Phasenwechselmaterialien (frei) ; Sb2Te (frei) ; GeTe-Sb2Te3 (frei) ; Metall-Isolator-Übergang (frei) ; electrical transport (frei) ; phase change materials (frei) ; metal-insulator transition (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die elektrischen Transporteigenschaften von kristallinen Phasenwechselmaterialien behandelt. Phasenwechselmaterialien (PWM) gehören zu einer speziellen Klasse von halbleitenden, sowie metallischen Dünnschichtlegierungen, welche typischerweise einen hohen Kompositionsanteil des Gruppe fünf Elementes Antimon oder des Gruppe sechs Elementes Tellur aufweisen, wie z.B.Ge2Sb2Te5. Die einzigartige Eigenschaftszusammenstellung dieser Materialklasse ermöglicht einen Einsatz in Speicheranwendungen. PWM können zwischen den beiden bei Raumtemperatur stabilen amorphen und kristallinen Phasen mittels schnellen optischen oder elektrischen Pulsen reversibel geschaltet werden. Zudem weisen sie einen ausgeprägten Eigenschaftskontrast in Form von optischer Reflektivität und elektrischer Leitfähigkeit zwischen den beiden Phasen als charakteristisches Merkmal auf. Das neuartige Speicherkonzept PCRAM (Phase change random access memory) ist ein sehr aussichtsreicher Kandidat, um den etablierten FLASH Speicher in naher Zukunft abzulösen und hat zudem das Potential die Realisierung eines universellen Speichers, welcher die Eigenschaft der Nicht-Flüchtigkeit mit der Geschwindigkeit und Ausdauer von DRAM kombiniert, zu ermöglichen. Eine der wichtigsten technologischen Herausforderungen ist der Schaltprozess mit dem größten Stromverbrauch in den amorphen Zustand. Um den Stromverbrauch bei gegebener Versorgungsspannung bei diesem Schaltprozess zu minimieren, ist eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes der kristallinen Phase notwendig. Daher ist eine Vergrößerung des Verständnisses und eine gezielte Maßschneiderung dieser Eigenschaft wünschenswert. In dieser Arbeit wird zunächst die technologische Relevanz von PWM in Form von optischen und elektronischen Speicheranwendungen vorgestellt (Kapitel 2.1). Im Anschluss erfolgt eine Beschreibung der relevanten physikalischen Materialeigenschaften in vier kurzen Teilabschnitten: Strukturelle (Abschnitt 2.2.1), kinetische (Abschnitt 2.2.2), optische (Abschnitt 2.2.3) und elektrische Eigenschaften (Abschnitt 2.2.4). In Kapitel 2.3 werden zwei wichtige kürzlich erzielte Fortschritte, der Einfluss der Resonanzbindung in der kristallinen Phase, sowie die Erstellung eines Eigenschaftbeschreibenden Koordinatensystemes zusammengefasst. Die theoretischen Grundlagen zum elektrischen Transport werden in Kapitel 3 behandelt. Im Folgenden (Kapitel 4) werden die experimentellen Untersuchungsmethoden: Sputter Deposition, XRR, XRD, DSC, Tempern, Profilometrie, Ellipsometrie, FTIR Spektroskopie, Van der Pauw, Hall und elektrisches sowie optisches Schalten mittels kurzer Pulse vorgestellt, welche im zweigeteilten Ergebnisteil (Kapitel 5) Anwendung bei den Untersuchungen finden. Im ersten Teil des Ergebniskapitels werden die strukturellen, thermischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von drei Legierungen, basierend auf Sb2Te, diskutiert. Im zweiten Teil steht die systematische Veränderung der DC-Leitfähigkeit von pseudo-binären GeTe-Sb2Te3 Legierungen durch kontrolliertes Tempern im Fokus der Untersuchungen. Die Widerstandsänderung wird im Konzept eines Metall-Isolator Überganges diskutiert, welche experimentell durch eine kombinierte van der Pauw, XRD, Hall, STM und FTIR Messkampagne unterstützt wird.

In this thesis, the electrical transport properties of crystalline phase change materials are discussed. Phase change materials (PCM) are a special class of semiconducting and metallic thin film alloys, typically with a high amount of the group five element antimony or the group six element tellurium, such as Ge2Sb2Te5. The unique property portfolio of this material class makes it suitable for memory applications. PCMs reveal fast switching between two stable room-temperature phases (amorphous and crystalline) realized by optical laser or electrical current pulses in memory devices. Additionally, a pronounced property contrast in form of optical reflectivity and electrical conductivity between the amorphous and cyrstalline phase is the characteristic fingerprint of PCMs. The emerging electrical solid state memory PCRAM is a very promising candidate to replace Flash memory in the near future or to even become a universal memory, which is non-volatile and shows the speed and cyclability of DRAM. One of the main technological challenges is the switching process into the amorphous state, which is the most power demanding step. In order to reduce the switching power, the crystalline resistivity needs to be increased at a given voltage. Thus understanding and tayloring of this property is mandatory. In this work, first the technological relevance, i.e. optical and electrical memory concepts based on PCMs are introduced (chapter 2.1). Subsequently a description of the physical properties of PCMs in four categories is given. Namely, structure (section 2.2.1), kinetics (section 2.2.2), optical properties (section 2.2.3) and electrical properties (section 2.2.4) are discussed. In chapter 2.3 important recent developments such as the identfication of resonant bonding in crystalline PCMs and a property predicting coordination scheme are briefly reviewed. Chapter 3 deals with the theoretical background of electrical transport, while chapter 4 introduces the experimental techniques: Sputtering, XRR, XRD, DSC, thermal annealing, profilometry, ellipsometry, FTIR spectroscopy, van der Pauw, Hall, and phase change optical and electrical switching techniques which are used to obtain the results in chapter 5. The latter chapter is split into two parts. In the first one the material class of doped Sb2Te is investigated with respect to structural, kinetic, optical and electrical properties. The second part covers the study of the systematic variation of the resistivity of pseudo-binary GeTe-Sb2Te3 alloys upon thermal annealing. This variation is discussed in the framework of an insulator to metal transition with the help of results from a combined van der Pauw, XRD, Hall, STM and FTIR study.

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