Underlying mechanisms of resistance drift in amorphous phase-change materials

• Zugrunde liegende Mechanismen des Widerstandsdriftens in amorphen Phasenwechselmaterialien

Rütten, Martin Werner; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Salinga, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien (PWM) sind derzeit ein vielversprechender Kandidat dafür, die Lücke in der Zugriffszeit zwischen Arbeitsspeicher und Massenspeicher in der traditionellen Speicherhierarchie zu schließen. Diese Materialien können reversibel zwischen einem elektrisch hochohmigen amorphen ("RESET") und einem hochleitfähigen kristallinen ("SET") Zustand geschaltet werden, wodurch die beiden Zustände eines Bits gespeichert werden. Die Aufrechterhaltung eines einmal programmierten RESET-Zustandes wird allerdings durch das sogenannte Widerstandsdriften beeinträchtigt, welches üblicherweise mit der strukturellen Relaxation der amorphen Phase in Verbindung gebracht wird. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, zur Erforschung der zugrunde liegenden Mechanismen des Widerstandsdriftens beizutragen. Im Einzelnen wird der Effekt der strukturellen Relaxation auf den elektrischen Transport in der halbleitenden amorphen Phase der PWM untersucht, wobei der Schwerpunkt auf drei zusammenhängenden Teilstudien liegt. Zunächst wird die zeitliche Entwicklung der Infrarot-Reflektivitätsspektren an amorphen Dünnschichten der drei PWM AgIn-Sb2Te, GeTe und Ge2Sb2Te5 gemessen. Zusätzlich basierend auf temperaturabhängigen Datensätzen werden umfassende Informationen über die Bandlücke extrahiert und innerhalb des Bandtransportmodells für den elektrischen Transport interpretiert. Die driftarme Charakteristik von AgIn-Sb2Te motiviert die zweite Teilstudie, welche sich auf die feldabhängige Transportmodellierung von Strom-Spannungs-Kennlinien konzentriert, die während der Relaxation an einer PWM-Speicherzelle aufgenommen wurden. Anhand dieser Daten wird untersucht, inwieweit die Transportmodellierung einschließlich entsprechender Einfang- und Emissionsereignisse von Ladungsträgern genutzt werden kann, um die Entwicklung der elektronischen Zustandsdichte ("DOS") während der Relaxation zu untersuchen. In der dritten Teilstudie werden bisherige Wissenslücken über die genannte Zustandsdichte und die Einfangeigenschaften lokalisierter Zustände in amorphem AgIn-Sb2Te mittels weiterentwickelter modulierter Photostrom ("MPC")-Spektroskopie adressiert. Im Ergebnis der drei Studien zeigt sich als Fingerabdruck von Relaxation in amorphen PWM ein Öffnen der Bandlücke über die Zeit. Dabei ergibt ein quantitativer Vergleich mit der sogenannten offensichtlichen Aktivierungsenergie für elektrische Leitung, dass die zeitliche Entwicklung von Bandlücke und Aktivierungsenergie in AgIn-Sb2Te entkoppelt ist. Diese Entkopplung könnte durch eine vorteilhafte Abnahme von lokalisierten Zuständen eines Defekts erklärt werden. Ein solcher Defekt könnte in der Nähe des Leitungsbandes positioniert sein, da sich vorliegend keine ausgeprägte DOS-Erhöhung unterhalb des Fermi-Niveaus zeigt. Angesichts des Fehlens eines solchen Defekts und darüber hinaus heterogener Einfangcharakteristiken in den Ausläufern des Valenzbands von Ge2Sb2Te5 und AgIn-Sb2Te werden notwendige Änderungen an der aktuellen Poole-Frenkel-basierten Transportmodellierung skizziert. Schließlich wird nicht nur die Abnahme von lokalisierten Zuständen in der Bandlücke während der Relaxation, sondern auch eine Änderung des Einfangverhaltens von lokalisierten Zuständen als zugrunde liegender Mechanismus des Widerstandsdriftens vorgeschlagen.