Structure and growth characterization of biaxially textured PCM thin films and heterostructures

Pohlmann, Marc; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Chalkogenid-basierte Phasenwechselmaterialien haben im Verlauf der letzten Jahrzehntezunehmend an Relevanz im Bereich der elektronischen Datenspeicher gewonnen. Die Speichertechnologien, welche zu Beginn den Markt der optischen, sequentiellen Speichermediendominiert haben, beginnen nun langsam auch im Bereich der elektrischen, parallelen Speicher Fuß zu greifen. Dies zeigt sich jüngst mit der Markteinführung des Intel Optane Speichers. Während die industrielle Entwicklung weiter voranschreitet, gewinnt auch die Grundlagenforschung an diesen Materialien mehr und mehr an Interesse. Um den Eigenschaftskontrast zwischen der amorphen und kristallinen Phase zu erklären, welcher für den Speichervorgang verwendet wird, hat die Forschung sich der Fragestellung angenommen, inwiefern sich die chemische Bindung in diesen Phasen unterscheidet. Es wurde dabei unter anderem herausgefunden, dass Phasenwechselmaterialien in sehr dünnen Filmen eine Veränderung der Struktur aufweisen, welche sich nichtdurch das übliche Bild der kovalenten Bindung erklären lässt. Die Entdeckung dieser Effekte fördert allerdings nur weiter den Bedarf nach Antworten. Um allerdings solche Dünnfilmeffekte untersuchen zu können, ist es zu allererst einmal nötig, sie herstellen zu können. Daher wird in dieser Arbeit das Wachstum verschiedener Phasenwechselmaterialienmittels Molekularstrahlepitaxie untersucht. Mit dem Ziel, hoch texturierte Dünnfilme und Heterostrukturen herzustellen, wurde das Wachstum von SnTe, GeTeund Sb2Te3 auf verschiedenen Si-Oberflächen untersucht. Um das Wachstum dieser Verbindungen zu untersuchen wurden 7x7-rekonstruierte, sowie Sb-passivierte Si (1 1 1) Substrate verwendet. Durch eine Veränderung des Wachstumsmodus und der resultierenden biaxialen Textur, können diese Substrate verwendet werden um die Eigenschaften eines Dünnfilms zu verändern. In dieser Arbeit wird zu Beginn eine Studie des Wachstums von Sb2Te3 auf diesen Oberflächen gezeigt. Diese Beschreibt den Einfluss der verschiedenen Substrate auf das Keimbildungsstadium des Wachstums und liefert einen guten Vergleich zu anderen Arbeiten, die das Wachstum von Phasenwechselmaterialien untersucht haben. Danach wird das Wachstum von SnTe beschrieben, welches in kubischer Textur auf dem trigonalen Substrat wächst. Vergleichend zum Sb2Te3 wird die Keimbildung beschrieben. Danach wird anhand von Röntgendiffraktometrie Messungen die Textur beschrieben. Zuletzt wird ein Modell präsentiert, welches in der Lage ist die epitaktische Beziehung der unvereinbaren Symmetrien von Film und Substrat zu beschreiben. Für das Wachstum von GeTe werden zwei verschiedene Beispiele anhand der beiden Substrate vorgestellt. Auf dem Sb-terminierten Substrat wird durch eine starke Unterdrückung der Zwillingsdomäne die Messung misorientierter Verzerrungen ermöglicht. Auf der 7x7-rekonstruierten Oberfläche wird eine Studie an Dünnfilmen präsentiert. Es wird gezeigt dass diese Filme präzise mit Schichtdicken von 4 bis 15nm gewachsen werden können und dass die Gitterkonstante und Raman Moden einem Schichtdicken abhängigen Trend unterliegen welcher nicht dem üblichen Verhalten einer Kovalenten Bindungen entspricht. Außerdem wird anhand des Wachstums auf der 7x7-Rekonstruktion auch die Anwendbarkeit des Modells diskutiert, das für SnTe eingeführt wurde. Dann wird eine kurze Studie zur Phasenausbildung einer Ge-Sb-Te Schicht berichtet. Diese wird auch als Beispiel dazu verwendet, die Limitierungen der Stöchiometriemessung via Energie dispersiver Röntgen Analyse aufzuzeigen. Hierzu wird die Struktur der Dünnfilme, die direkt von der Stöchiometrie abhängt, als Vergleichswert verwendet. Im letzten Teil dieser Arbeit, wird die Herstellung und Analyse von Superlattice Strukturen diskutiert. Nachdem gezeigt wurde, dass die verschiedenen Materialien sehr guttexturiert gewachsen werden können, werden diese als Seeds für Heterostrukturen verwendet. Im Laufe dieses Kapitels wird die Auswertung von Röntgendiffraktometrie Messungen diskutiert und die Ergebnisse mittels Transmissions-Elektronen-Mikroskopieverifiziert. Die Stress-Verteilung innerhalb der Heterostrukturen wird anhand von Reflection High-Energy Electron Diffraction nachverflogt und mit Hilfe eines Federmodells beschrieben. Dieses Federmodell wird wiederum verwendet, um eine Simulation der Röntgen-Daten zu verbessern. In diesem Sinne werden zunächst SnTe- Sb2Te3-Superlattices diskutiert. Verschiedene Dickenverhältnisse von SnTe und Sb2Te3 werden präsentiert und die erreichbare Qualität der Lagensymmetrie diskutiert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird dann das System der SnTe-GeTe-Superlattices eingeführt. Da in diesem System keines der Materialieneine Van-der-Waals-ähnliche Struktur besitzt, ändert sich auch das Wachstumsverhalten stark. Es wird gezeigt, dass diese Heterostrukturen wesentlich anfälliger für eine Durchmischung der Lagen sind, dass es aber möglich ist, sie herzustellen. Da SnTe und GeTe in verschiedener Textur auf den Si-Substraten wachsen, kann darüber hinausgezeigt werden, dass die Superlattices diese Textur übernehmen. Dies erlaubt die Herstellung verschieden texturierte Superlattices mit denselben Materialien auf gleichen Substraten, indem man lediglich den Seed-layer wechselt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Feder-Modell zur Beschreibung der In-plane Gitterkonstanten für dieses System nicht funktioniert. Die Gründe für dieses Versagen werden diskutiert und ein auf der Grenzflächenrauigkeit basierender Lösungsansatz präsentiert.