Transiente Schalt- und Relaxationseffekte in Phasenwechselnanostrukturen

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015) [Doktorarbeit]

Seite(n): X, 196, XLI S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien sind aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften hervorragende Kandidaten für eine zukünftige elektronische Datenspeichertechnologie. Das einzigartige Potential dieser Materialklasse liegt in dem hohen Kontrast der elektrischen Eigenschaften zwischen der amorphen und kristallinen Phase des Festkörpers. Elektronische Phasenwechselspeicher sind daher nicht flüchtig und zeichnen sich durch hohe Lese und Schreibraten, eine extrem hohe Datendichte sowie einem geringen Energieverbrauch aus. Vorherige Arbeiten zur Kristallisationskinetik haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit eines solchen Speichers vergleichbar mit der eines aktuellen DRAMs sein kann. Durch eine hohe Skalierbarkeit sowie die Fähigkeit mehrere Bits in einer physikalischen Zelle zu speichern, können sehr hohe Datendichten analog zu einer Festplatte oder einem Flash-Speicher mit der Phasenwechselspeichertechnologie erreicht werden. Als positiver Nebeneffekt sinkt darüber hinaus mit fortschreitender Skalierung der Energieverbrauch eines Phasenwechselspeichers. Aufgrund des elektrischen Widerstandskontrastes zwischen kristalliner und amorpher Phase von bis zu drei Größenordnungen und der für den schnellen Phasenwechsel notwendigen Jouleschen Wärme gehören die nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik sowie das Phänomen des „Threshold-Switchings“ in amorphen Phasenwechselmaterialien zu den wichtigsten Eigenschaften in diesen Materialien. Das Threshold-Switching beschreibt dabei den abrupten Einbruch des elektrischen Widerstandes der amorphen Phase beim Anlegen hoher elektrischer Feldstärken.In dieser Arbeit wird eine Studie zur Charakterisierung des Threshold-Switchings sowie der zeitlichen Entwicklung (dem Driften) der elektronischen Eigenschaften nach der Herstellung eines amorphen Zustandes vorgestellt. Obwohl der Effekt des Threshold-Switchings bereits 1968 von Ovshinsky in halbleitenden Gläsern entdeckt wurde, existieren noch heute ganz unterschiedliche Meinungen über die physikalische Natur dieses Ereignisses. Der Einsatz eines speziell entwickelten schnellen elektrischen Testers erlaubt die Beobachtung der Dynamik des Phasenwechselmaterials vor dem Eintritt des Schaltereignisses. Diese Experimente liefern wichtige Hinweise auf einen rein elektronischen Anregungsmechanismus des Threshold-Switching Phänomens. Weiterhin erlauben die experimentellen Befunde die Festlegung eines minimalen elektrischen Feldes zum Eintritt des Schaltereignisses. Diese Erkenntnis spielt besonders für die Anwendung in einem elektrischen Datenspeicher eine wichtige Rolle. Der Effekt des Widerstandsdriftens wird in drei unterschiedlichen „as deposited“ amorphen Phasenwechselmaterialien Ge2Sb2Te5, AgIn-Sb2Te und GeTe behandelt. Ein spezielles Messverfahren erlaubt dabei neben der Beobachtung des kontinuierlichen Anstiegs des elektrischen Widerstandes eine präzise Charakterisierung der zeitlichen Entwicklung der Aktivierungsenergie sowie des Vorfaktors im Arrhenius-Gesetz. Die experimentellen Daten für verschiedene Phasenwechselmaterialien zeigen, dass das Widerstandsdriften im Allgemeinen durch einen Anstieg in beiden Größen mit der Zeit hervorgerufen wird. Abschließend wird der Zusammenhang des Widerstandsdriftens und des Threshold-Switching Effektes studiert. Dabei wird der elektrische Widerstand nicht nur unter kleinen Feldstärken, sondern auch als Funktion der Spannung bis in den Bereich des Schaltvorgangs charakterisiert. Die für diese Experimente hergestellten lateralen Phasenwechselnanostrukturen zeigen eine gravierende Veränderung der gesamten Strom-Spannungs-Charakteristik als Funktion der Wartezeit nach der Amorphisierung. Eine Interpretation der zeitlichen Veränderung der Strom-Spannungs-Charakteristik im Modell nach Poole liefert für das untersuchte Phasenwechselmaterial AgIn-Sb2Te einen Anstieg der elektronischen Defektdichte mit der Zeit. Dieses Ergebnis steht damit im Widerspruch zu dem in der Literatur gefundenen Verhalten für Ge2Sb2Te5 und deutet auf einen unterschiedlich ablaufenden Driftprozess in diesen beiden Materialien hin. Auch kritische Größen wie etwa die Threshold-Leistung oder die spannungsabhängige Verzögerungszeit zum Schalten werden hinsichtlich ihres Zeitverhaltens studiert und mit Modellvorhersagen abgeglichen. Die experimentellen Daten deuten auf eine näherungsweise konstante elektrische Leistung zum Eintritt des Threshold-Switchings hin. Diese Untersuchungen liefern wichtige Rückschlüsse auf die Bedingung zum Eintritt des Schaltereignisses und helfen die zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen zu identifizieren.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Wimmer, Martin

Gutachterinnen und Gutachter

Wuttig, Matthias
Waser, Rainer

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-013925
  • REPORT NUMBER: RWTH-2015-01392