Investigation of the elemental distribution in electronic materials for mobile devices

• Untersuchung der Elementverteilung in elektronischen Materialien für Mobilgeräte

Yatim, Alexandra Katharina; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

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.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut [131110]
• Fachgruppe Physik [130000]