Electronic transport in amorphous phase-change materials

Luckas, Jennifer Maria; Wuttig, Matthias

doi:999910294596

Electronic transport in amorphous phase-change materials = Elektronischer Ladungstransport in amorphen Phasenwechselmaterialien

Luckas, Jennifer Maria (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jennifer Maria Luckas

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXVII, 168 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch. und Paris, Univ. Paris-Sud 11, Diss., 2012

Cotutelle-Dissertation

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-09-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-44531
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/210493/files/4453.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Defekt (Genormte SW) ; Chalkogenide (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Phasenwechselmaterialien (frei) ; Defekte (frei) ; defects (frei) ; amorphous phase-change materials (frei) ; electrical threshold-switching (frei) ; resistance drift (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien zeigen außergewöhnliche physikalische Eigenschaften auf. Insbesondere die Kombination schneller Kristallisationskinetik mit einem ausgeprägten optischen sowie elektronischen Kontrast zwischen einer kristallinen und amorphen Phase ermöglicht deren Einsatz in nichtflüchtigen Speicherbausteinen. Legierungen bestehend aus Germanium, Antimon und Tellur sind typische Phasenwechselmaterialien mit hoher Anwendung in optischen Datenträgern wie CD, DVD oder Blu-ray Disc. Darüber hinaus zeigen Phasenwechselmaterialien bemerkenswerte Transportphänomene in der ungeordneten amorphen Phase, welche sich als entscheidend für deren Anwendung in elektronischen Datenspeichern erwiesen haben. Das elektronische Schwellenschalten bezeichnet den Einbruch des spezifischen Widerstands des amorphen Zustands oberhalb eines kritischen elektrischen Schwellenfeldes und erlaubt den Phasenwechsel bei praxisrelevanten kleinen Spannungen. Unterhalb dieser kritischen Schwelle ist der spezifische Widerstand amorpher Phasenwechselmaterialien thermisch aktiviert und metastabil, d.h. mit der Zeit nimmt der amorphe spezifische Widerstand zu. Dieses Phänomen ist weitläufig als Widerstanddrift bekannt. Die Metastabilität der amorphen Leitfähigkeit erschwert maßgeblich die Entwicklung von MLC-Speicherzellen, in welchen durch Variation des amorphen Volumenanteils der Zellwiderstand systematisch über mehrere Größenordnungen verändert werden kann, um somit mehr als zwei logische Zustände zu realisieren. Mit diesem Ansatz kann die Speicherkapazität drastisch erhöht werden. Infolgedessen ist ein besseres Verständnis beider elektronischer Transportphänomene unverzichtbar, um verbesserte nichtflüchtige elektronische Phasenwechselspeicher zu entwickeln. Obwohl beide Phänomene oft in Zusammenhang zu lokalisierten Defektzuständen innerhalb der verbotenen Zone zwischen Valenz- und Leitungsband diskutiert sind, ist die Defektdichte amorpher Phasenwechselmaterialien zurzeit nur wenig erforscht. Beginnend mit einer kurzen Zusammenstellung wichtiger physikalischer Eigenschaften kristalliner und amorpher Phasenwechselmaterialien, gibt diese Dissertation einen Überblick über verschiedene Transportmodelle, welche in der Literatur zur Erklärung der Effekte Widerstanddrift und Schwellenschalten diskutiert werden. Eine zentrale Fragestellung dieser Arbeit ist eine systematische Charakterisierung der Defektdichte in verschiedenen elektrisch schaltenden chalkogeniden Gläsern. Mittels einer Kombination komplementärer Methoden, wie modulierten Photoleitfähigkeitsmessungen (MPC) und photothermischer Deflexionspektroskopie (PDS), ist ein komplexes Bandmodell für die amorphe Phasenwechsellegierung GeTe entwickelt worden. Dieser direkte experimentelle Ansatz zeigt, dass die Defektdichte in amorphen GeTe (a-GeTe) zusätzlich zu den für die amorphe Phase charakteristischen exponentiellen Bandausläufern zumindest zwei weitere Defektzustände aufweist. Die systematische Charakterisierung von Defekten in amorphen Phasenwechselmaterialien ermöglicht eine drastische Verbesserung der Analyse von MPC Daten. Am Beispiel von a-GeTe und a-Ge2Sb2Te5 zeigt diese Arbeit, dass das Problem von unphysikalisch niedrigen Werten für die Freisetzungsfrequenz durch die Berücksichtung einer temperaturabhängigen Bandlücke gelöst werden kann. Mit dem Ziel, die Rolle von lokalisierten Defekten auf das elektrische Schaltverhalten zu untersuchen, vergleicht diese Arbeit Defektdichten verschiedener amorpher Chalkogenidverbindungen. Im Gültigkeitsrahmen eines Generations- und Rekombinationsmodells erwartet man hohe elektrische Schwellenfelder im Falle großer Bandlücken oder hoher Zustanddichten um die Fermikante. Die ausgewählten Legierungen a-GeTe, a-Ge2Sb2Te5 und a-Ge15Te85 zeigen stark unterschiedlich elektrische Schwellenfelder, welche jedoch nicht allein durch die Variation der optischen Bandlücke erklärt werden können. Die in dieser Arbeit präsentierten MPC Messungen zeigen, dass die gemessene Zustandsdichte nahe des Ferminiveaus mit den aus der Literatur bekannten elektrischen Schwellenfeldern gemäß des Generations- und Rekombinationsmodells korrelieren und unterstützen somit diesen Mechanismus des elektrischen Schwellenschaltens.

Phase change materials combine a pronounced contrast in resistivity and reflectivity between their disordered amorphous and ordered crystalline state with very fast crystallization kinetics. Due to this exceptional combination of properties phase-change materials find broad application in non-volatile optical memories such as CD, DVD or Bluray Disc. Furthermore, this class of materials demonstrates remarkable electrical transport phenomena in their disordered state, which have shown to be crucial for their application in electronic storage devices. The threshold switching phenomenon denotes the sudden decrease in resistivity beyond a critical electrical threshold field. The threshold switching phenomenon facilitates the phase transitions at practical small voltages. Below this threshold the amorphous state resistivity is thermally activated and is observed to increase with time. This effect known as resistance drift seriously hampers the development of multi-level storage devices. Hence, understanding the physical origins of threshold switching and resistance drift phenomena is crucial to improve non-volatile phase-change memories. Even though both phenomena are often attributed to localized defect states in the band gap, the defect state density in amorphous phase-change materials has remained poorly studied. This thesis presents defects state densities measured on different amorphous phase-change materials and chalcogenides showing electrical threshold switching. On the basis of Modulated Photo Current (MPC) Experiments and Photothermal Spectroscopy a sophisticated band model for a-GeTe has been developed, which is shown to consist of defect bands and band tail states. This study on a-GeTe has shown that the data analysis within MPC experiments can be drastically improved by taking the temperature dependence of the optical band gap into account. To get a better understanding of resistance drift phenomena this study focuses on the evolution of resistivity on heating and ageing, activation energy of electronic conduction, optical band gap, defect state density, mechanical stress and nearest neighbour ordering in a-GeTe thin films. After heating the samples one hour at 140°C the activation energy for electric conduction increases by 30 meV, while the optical band gap increases by 60 meV. Additionally, MPC experiments revealed a decreasing concentration of mid gap states in aged a-GeTe thin films. These findings demonstrate the impact of band gap opening and defect annihilation on resistance drift. Furthermore, the stoichiometric dependence of resistance drift phenomena in a-GeSnTe phase-change alloys is studied in this thesis. A systematic decrease in the amorphous state resistivity, activation energy for electric conduction, optical band gap and defect density is observed with increasing tin content resulting in a low resistance drift for tin rich compositions such as a-Ge2Sn2Te4. This study on GeSnTe systems demonstrates, that phase change alloys showing a more stable amorphous state resistivity are characterized by a low activation energy of electronic conduction. This finding found in GeSnTe alloys holds also true for GeSbTe and AgInSbTe systems. On the example of a-Ge2Sn2Te4 and a-GeTe exhibiting a strong resistance drift, the evolution of the amorphous state resistivity is shown to be closely linked to the relaxation of internal mechanical stresses resulting in an improving structural ordering of the amorphous phase. For the investigated alloys showing electrical switching, the measured density of midgap states is observed to decreases with decreasing threshold field known from literature. This result favours a generation-recombination model behind electrical switching in amorphous chalcogenides as originally proposed by D. Adler.

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