Investigation of the elemental distribution in electronic materials for mobile devices

Yatim, Alexandra Katharina; Mayer, Joachim; Wuttig, Matthias

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-080154

Investigation of the elemental distribution in electronic materials for mobile devices = Untersuchung der Elementverteilung in elektronischen Materialien für Mobilgeräte

Yatim, Alexandra Katharina

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physikerin Alexandra Katharina Yatim

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xviii, 212, LXXVII Seiten) : 1 Online-Ressource (xviii, 212, LXXVII Seiten)

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-03-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-080154
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/671156/files/671156.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/671156/files/671156.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
atom probe tomography (frei) ; APT (frei) ; 3DAP (frei) ; transparent conductive oxides (frei) ; TCO (frei) ; phase-change materials (frei) ; PCM (frei) ; dopant distribution (frei) ; elemental distribution (frei) ; ZnO:Al (frei) ; TiO2:Nb (frei) ; TiO2:Al (frei) ; GeTe (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die fortwährende „Digitale Revolution“ stellt immer höhere Anforderungen an Mobilgeräte. Sie bringt nicht nur stetig neue Produkte hervor, sondern setzt auch eine unablässige Optimierung der einzelnen Bauteile solcher Geräte voraus. Infolgedessen wächst der Technologiesektor von Smartphones, Tablets, „Wearables“ usw. rasant an. In der vorliegenden Arbeit wurden ausgewählte Materialien aus der Klasse der transparenten, leitfähigen Oxide (Englisch „transparent conductive oxides“, kurz TCOs) sowie der Phasenwechselmaterialien (Englisch „phase-change materials“, kurz PCMs) bezüglich der Verteilung der Elemente untersucht. Diese Materialklassen sind vielversprechend im Hinblick auf die Anforderungen von Displays beziehungsweise Datenspeicher. (i) Das meist verwendete Material in Displayanwendungen, In2O3:Sn, im Englischen „indium tin oxide“ (ITO) genannt, enthält mit Indium ein seltenes und deshalb teures Element. Einen Schwerpunkt der Forschung stellt deshalb die Suche nach einem alternativen Material dar. Einer der verheißungsvollsten Kandidaten für den Ersatzvon ITO ist ZnO:Al. Dieses Material vereint eine große natürliche Häufigkeit und geringe Kosten mit Atoxizität und thermischer Stabilität. Der spezifische Widerstand dieses Materials kann im abgeschiedenen Zustand zwar nicht mit dem von ITO mithalten, jedoch durch eine nachträgliche Wärmebehandlung gesenkt werden. Dieser Arbeit vorausgehend wurde beobachtet, dass das Heizen im Falle der Verwendung einer hydrierten, amorphenSilizium-Schutzschicht (a-Si:H) in einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften resultiert, während eineWärmebehandlung ohne Schutzschicht zu einer Verringerung der Ladungsträgermobilität sowie-dichte führen kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, die bei dem Heizen ohne Schutzschicht auftreten kann, durch Verwendung der Atomsondentomographie (Englisch „atom probe tomography“, kurz APT) mit einer Absonderung von Aluminiumatomen an den Korngrenzen korreliert werden. Weitere Untersuchungen an zusätzlichen Proben bestätigten eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften durch Anhäufung des Dotands an den Korngrenzen. Zusätzlich zu ZnO:Al wurde das nicht-klassische TCO-Material TiO2:Nb mittels APT untersucht.Die Tatsache, dass bei diesem Material das Evaporationsfeld des Dotanden höher ist als das des Matrixmetalls, erschwert APT-Untersuchungen. Die Erfolgswahrscheinlichkeit konnte jedoch durch eine Verringerung der Basistemperatur gesteigert werden. (ii) Die steigenden Datenmengen, die auf Mobilgeräten gespeichert werden, erfordern eine Technologie, die hohe Datenspeicherdichten ermöglicht. PCMs zeichnen sich aus durch exzellente Skalierungseigenschaften sowie kurze Schaltgeschwindigkeiten zwischen den logischen Zuständen, welche durch die amorphe und die kristallinen Phase realisiert werden. Falls ihre Lebensdauer ausreichend erhöht werden kann, könnten sie den Flash-Speicher und vielleicht sogar das „Dynamic Random Access Memory“ (DRAM) ersetzen und dadurch zu einem „universellen Speicher“ werden. Während PCMs bereits seitmehr als 20 Jahren in optischen Datenspeichern erfolgreich Anwendung finden, wurde im Falle von elektronischen Datenspeichern für Ge2Sb2Te5 eine Wanderung von Atomen unterschiedlicher Elemente zu denverschiedenen Elektroden festgestellt. Darüber hinaus war beobachtet worden, dass die Kristallisation von GeTe im Ofen bei einer Temperatur von T = 250 °C oder höher zu Ausfällung von Germanium führt. Dies wirft die Frage auf, ob eine solche Ausfällung durch Schalten auf schnellen Zeitskalen unterdrückt werden kann. Bisher sindin der Literatur keine Atomsondenmessungen an PCMs behandelt worden. Aus diesem Grund war eines der Ziele der vorliegenden Arbeit die Etablierung von APT an GeTe, welches eine Ausgangsverbindung für bedeutende ternäre Phasenwechselmaterialien darstellt. Die hierdurch gewonnenen Erkenntnisse können in Zukunftauf die Untersuchung von Phasenwechsel-Speicherzellen angewendet werden. In diesem Zusammenhang wurde zunächst ein Evaporationsfeld für GeTe von ungefähr F_GeTe ~ 16 V/nm ermittelt. Desweiteren wurden Ausfällungen von Germanium nicht nur in einer Probe gefunden, die bei T = 290 °C geheizt worden war, sondern auch in einer bei nur T = 220 °C geheizten Probe. Da die vorherigen Resultate mithilfe von Röntgenbeugung erzielt worden waren, d.h. einer Methode, die keine amorphen Phasen detektieren kann, kann dieses neue Ergebnis durch die Ausfällung von amorphem Germanium bei einer Temperatur von T = 220 °C oder weniger und eine Kristallisation dieser Ausfällungen bei T = 250 °C erklärt werden. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit die Bedeutung der atomaren Anordnung unterschiedlicher Elemente für die physikalischen Eigenschaften verschiedener elektronischer Materialien hinsichtlich der Anwendung in Mobilgeräten herausgestellt und konkretisiert werden. Zu diesem Zwecke sind Atomsondenmessungen an neuartigen Materialien etabliert worden. Die gewonnenen Ergebnisse legen denGrundstein für eine zukunftweisende und gezielte Entwicklung neuer Technologien.

The ongoing “Digital Revolution” places ever increasing demands on mobile devices. It does not only account for a constant generation of new products, but also requires a continuous optimisation of the individual components of such devices. As a result, the technology sector of smartphones, tablets, wearables etc. is rapidly growing. Inthe current work, specific materials from the classes of transparent conductive oxides (TCOs) and phase-change materials (PCMs) were investigated with respect to their elemental distribution. These material classes are promising to meet the challenges of display and data storage applications, respectively. (i) The material most commonly used in display applications, namely In2O3:Sn, called tin-doped indium oxide or indium tin oxide (ITO), contains indium, which is scarce and thus expensive. Hence, intensive research is focused on finding an alternative material. One of the most promising candidates for substituting ITO is ZnO:Al. This material combines natural abundance, low cost, nontoxicity, and thermal stability. Although its resistivity in the as-deposited state cannot keep up with that of ITO, it can be decreased by post-deposition heat treatment. Prior to this work, it had been found that the same annealing parameters might lead to an enhancement of the electricalproperties if a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) capping layer is used during heat treatment, while upon annealing without any capping layer the charge carrier mobility as well as the charge carrier density might be decreased. In the frame of the current work, the degradation of the electronic properties upon specific heat treatment without any capping layer could be correlated with aluminium segregation at the grain boundaries by employing atom probe tomography (APT). Further investigation of additional samples confirmed the correlation of segregation of the dopant at the grain boundaries with deterioration of the electronic properties. In addition to ZnO:Al, the non-classical TCO material TiO2:Nb was investigated by means of APT. The fact that for this materialthe evaporation field of the dopant is higher than that of the matrix metal makes APT investigations difficult. However, the yield could be improved by selecting the lowest possible base temperature.(ii) The increasing amounts of data stored on mobile devices require a technology that offers high storage densities. PCMs feature excellent scaling properties and fast switching between the logical states, which arerealised by the amorphous and the crystalline phase. If their endurance can be sufficiently increased, they might replace the Flash memory and maybe even the dynamic random-access memory (DRAM), which would turn them into a “universal memory”. While PCMs have already been successfully used in optical data storage devices for more than 20 years, in case of electronic data storage applications, atomic migration of the elements towardsdifferent electrodes had been observed for Ge2Sb2Te5. Furthermore, crystallisation of the PCM GeTe in a furnace had been found to lead to germanium precipitation in case of annealing temperatures of T =250 °C and above. The question arises whether precipitation can be suppressed upon fast switching. No APT measurements on PCMs had been reported in literature so far. For this reason, it was one of the aims of the current work to establish APT on GeTe, which is a parent compound of prominent ternary PCMs. The knowledge gained from these experiments can be used in future investigations of phase-change memory cells. In this context,first the evaporation field of GeTe was determined to be roughly F_GeTe ~ 16 V/nm. Secondly, germanium precipitates were not only found in a sample annealed at T = 290 °C, but also in a sample annealed at T = 220 °C. Since earlier results had been gained employing x-ray diffraction (XRD), which cannot detect amorphous phases,this new result can be explained by the precipitation of amorphous germanium at a temperature of T = 220 °C or below and the crystallisation of these precipitates at T = 250 °C.In summary, in the present work the importance of the atomic arrangement of the different elements on the physical properties of various electronic materials could be highlighted and concretised with regard to their application in mobile devices. For this purpose, atom probe measurements on novel materials were established. The obtained results might lay the foundation for a trendsetting and targeted development of new technologies.

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