Electronic transport in amorphous phase-change materials

  • Elektronischer Ladungstransport in amorphen Phasenwechselmaterialien

Luckas, Jennifer Maria; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

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

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.

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