Electronic switching in phase-change materials

Bruns, Gunnar; Wuttig, Matthias

doi:999910133419

Electronic switching in phase-change materials = Elektronisches Schalten in Phasenwechselmaterialien

Bruns, Gunnar (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gunnar Bruns

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXI, 101 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-01-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39517
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61329/files/3951.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Festkörperphysik (Genormte SW) ; Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Zeitauflösung (Genormte SW) ; Widerstand <Elektrotechnik> (Genormte SW) ; Physik (frei) ; solid state physics (frei) ; phase-change memory (frei) ; electric current measurement (frei) ; time resolution (frei) ; resistance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 84.37.+q * 64.70.kg * 73.61.-r * 64.70.Nd * 84.37.+q

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien (PCM) besitzen einen einzigartigen Kontrast physikalischer Eigenschaften zwischen ihrer kristallinen und amorphen Phase. So unterscheidet sich der spezifische Widerstand beider Phasen in manchen Materialien um mehrere Größenordnungen. Ebenso gibt es einen beachtlichen Kontrast im Reflexionsvermögen, der bereits industrielle Anwendung gefunden hat: in optischen Medien wie CD, DVD und Bluray Disks ermöglichen dünne Schichten aus PCM eine mehrfach wiederbeschreibbare Datenspeicherung. Und obwohl beide Phasen an Raumtemperatur für Jahrzehnte stabil sind, ist es bei höheren Temperaturen möglich, innerhalb von Nanosekunden zwischen den Phasen zu wechseln. Diese erstaunliche Kombination von Stabilität und schnellen Übergängen, gemeinsam mit dem ausgeprägten Eigenschaftskontrast, macht PCMs zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige, nicht flüchtige, elektronische Speicher. In dieser Arbeit wurden drei physikalische Aspekte solcher Speicher untersucht, wofür speziell angefertigte Messplätze geschaffen wurden, um die Herausforderungen zu meistern, die bei Messungen auf der Picosekunden-Skala und mit Widerständen von mehreren hundert Gigaohm auftreten. Die Limitierung der Geschwindigkeit von Schreib- und Lösch-Operationen ist ein wesentliches Thema bei der Realisierung auf PCMs basierender elektronischer Speicher, die mit den bereits etablierten Konzepten konkurrieren sollen. Zur Zeit werden zwei Klassen zur Speicherung elektronischer Daten in Computern genutzt. Zum einen gibt es die schnellen, aber flüchtigen Arbeitsspeicher (memory), wie DRAM (dynamic random access memory) und SRAM (static random access memory). Zum anderen sind da die langsameren, aber nicht flüchtigen Speicher (storage), wie Festplatte, Flash und optische Medien. Unter dem Blickwinkel der Geschwindigkeit klafft eine Lücke von mehrerer Größenordnungen zwischen den Konzepten Arbeitsspeicher und Langzeitspeicher. Phasenwechsel-Speicher könnten diese Lücke schließen und eine neue Speicherklasse (storage class memory) schaffen und eventuell sogar einen nicht flüchtigen Arbeitsspeicher ermöglichen, der den flüchtigen DRAM ersetzt. In dieser Arbeit werden Untersuchungen der Schaltgeschwindigkeiten in Phasenwechsel-Speichern präsentiert, die belegen, dass der Phasenübergang innerhalb weniger Nanosekunden stattfinden kann. Dies demonstriert das Potential der PCMs unter dem Gesichtspunkt der Schaltgeschwindigkeit mit dem DRAM mithalten zu können. Das zweite Thema dieser Arbeit sind die Übergangsphänomene, die auftreten, wenn PCMs hohen elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Das ”Threshold switching“ beschreibt die plötzliche Abnahme des spezifischen Widerstandes. Dieser Effekt kann in amorphen PCMs beobachtet werden, sobald die angelegten Feldstärken einen Schwellenwert überschreiten. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die sowohl den Einbruch des Widerstandes mit dem ”Threshold switching“ beschreiben, als auch die Lebenszeit des damit verbundenen angeregten Zustandes hoher Leitfähigkeit. Während aktuelle Publikationen eine charakteristische Feldstärke für jedes PCM nutzen, um das Auftreten des ”Threshold switching“ zu beschreiben, kann aus den Ergebnissen dieser Arbeit gefolgert werden, dass es eine feldabhängige Verzögerungszeit gibt, die die plötzliche Änderung der Leitfähigkeit vorhersagt. Neben diesem außergewöhnlichen Verhalten ungeordneter Halbleiter unter dem Einfluss hoher elektrischer Felder gibt es einen weiteren Effekt, der auch ohne äußere Felder auftritt und einen enormen Einfluss auf Phasenwechsel-Speicher hat: die Widerstandsdrift. Dieser Effekt beschreibt das zeitliche Ansteigen des spezifischen Widerstandes amorpher PCMs. In dieser Arbeit werden Daten präsentiert, die die Gleichartigkeit dieses Effektes in unstrukturierten Filmen und in Speicherzellen belegen. Diese Daten wurden genutzt, um ein existierendes Modell zu modifizieren, das den Ursprung der Drift erklärt. Die bekannte Abhängigkeit des Drift Verhaltens von der Aktivierungsenergie für den Ladungstransport kann bestätigt werden und zusätzlich kann ein neuer Aspekt dieser Abhängigkeit gezeigt werden.

Phase-change materials (PCM) possess a unique property contrast between their crystalline and amorphous phases. Differences in resistivity of some orders of magnitude can be observed between both phases. Also, the reflectivity shows a remarkable contrast, and it allows the application of thin phase-change layers in optical media, such as CD, DVD and Bluray disk, to enable rewritable storage of information. Although both phases are stable for decades at room temperature, it is possible to switch between the phases in nanoseconds at elevated temperatures. This striking combination of stability and rapid transition, together with the pronounced resistivity contrast, make PCMs one of the most promising candidates for future, non-volatile, electronic memory. In this work, three physical aspects concerning such a memory have been investigated using custom made setups to cope with the challenges of sub-nanosecond timescales and resistances of hundreds of Gigaohms. Speed limitations of write and rewrite operations are a crucial topic, if PCMs shall be able to compete with the established concepts in electronic devices. Two classes of storage devices are used in modern computer systems, so far. On the one hand, there is the fast, but volatile memory close to the processor unit, like the dynamic (DRAM) and the static (SRAM) random access memory. On the other hand, there are slower, but non-volatile storages, like hard disk drive, flash, and optical media. In terms of speed, there is a gap of several orders of magnitude between memory and storage concepts. Phase-change memory could close this gap and establish a new storage class memory, and maybe, even allow to build a non-volatile memory device, which could replace the volatile DRAM. Investigations regarding the memory switching speed in phase-change memory will be presented in this work, and reveal that the phase transitions can be accomplished within a few nanoseconds. This demonstrates the potential of PCMs to compete with DRAM in terms of speed. The second topic in this work are transient phenomena, like threshold switching, which occur when PCMs are treated with electrical pulses. Threshold switching describes a sudden decrease of the material’s resistivity. This effect can be observed in amorphous PCMs, if the applied electrical field exceeds a threshold value. In this work, results will be presented which describe both the resistance drop during the threshold switching and the life time of this high conductive state. While present publications use a characteristic field strength for each PCM to describe the occurrence of the threshold switch, the results of this work suggest the definition of a field dependent delay time, which predicts the sudden change of conductivity. Besides the extraordinary behavior of disordered semiconductors at high electric fields, there is a further effect at low fields, which has a tremendous influence on phase-change memory applications: the resistance drift. This effect describes the time dependent increase of the resistivity of amorphous PCMs. In this work, experimental data will be presented which demonstrate the similarity of this effect in both unstructured films and memory devices. These data have been used to modify an existing model which explains the drift’s origin. The reported dependency of the drift behavior on the activation energy for conduction can be confirmed and a new aspect of this dependency will be presented.

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