Phase change materials for non-volatile electronic memories

  • Phasenwechselmaterialien für nichtflüchtige elektronische Datenspeicher

Salinga, Martin; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Ausgehend von einer kurzen Einführung in die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien werden zunächst die Anwendungen solcher Materialien auf dem Gebiet der Datenspeicherung betrachtet, ohne welche das Thema heute sicherlich auch auf Seiten der Grundlagenforschung weitaus weniger Beachtung fände. Optische Datenspeicher, die Phasenwechselmaterialien verwenden, werden schon seit vielen Jahren erfolgreich für den Massenmarkt hergestellt. Hier liegt also eine ausgereifte Technologie vor, bei der allerdings neue Ideen für nochmalige Verbesserungen vorliegen, mit denen für weitere Jahre Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Speichermedien erreicht werden könnte. Ganz anders sieht es für die Verwendung von Phasenwechselmaterialien in elektronischen Datenspeichern aus. Obgleich schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen, ist sie in ihrer heutigen Form eine recht junge, dabei aber überaus vielversprechende Technologie. Beide Anwendungen werden in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Anforderungen an die verwendeten Phasenwechselmaterialien analysiert, wobei der Schwerpunkt auf den elektronischen Speichern liegt. Dabei wird herausgearbeitet, dass sowohl für optische, aber gerade auch für elektronische Datenspeicher, das tiefe und damit auch quantitative Verständnis der Kristallisationskinetik von Phasenwechselmaterialien die dringendste und fundamentalste Fragestellung ist, die es in diesem Zusammenhang zu bearbeiten gilt. Damit wird implizit der verbreitete Ansatz kritisiert, gerade bei elektronischen Phasenwechselspeichern ohne eine entsprechend sorgfältige Studie der Kristallisationskinetik das Schaltverhalten zu erforschen. Nach der Identifizierung dieses Forschungsziels wird das Ergebnis einer ausgiebigen Literaturrecherche zur Theorie der Kristallisation präsentiert. Als überaus wichtig stellt sich dabei das Verständnis der Glasbildung heraus, da hierin die Stabilität eines amorphen Festkörpers bzw. einer unterkühlten Flüssigkeit gegen strukturelle Umordnung behandelt wird. Aus diesem Grund wird der Theorie der Glasbildung ein eigenes Kapitel gewidmet. Basierend auf dem Wissen um die theoretischen Zusammenhänge zwischen Glasübergang und Kristallisation wird untersucht, inwieweit von einer berechneten Atomisierungsenthalpie von Phasenwechselmaterialien ausgehend Aussagen über stöchiometrische Trends in deren Glasübergangstemperatur oder sogar über Veränderung in der Kristallisation getroffen werden können. Der Vergleich der berechneten Enthalpien mit den raren experimentellen Ergebnissen für die Glasübergangstemperatur von Phasenwechselmaterialien sowie mit Messungen zur Kristallisation zeigt, dass diese Strategie in der Tat eine Vorhersage über den Einfluss von Stöchiometrievariationen auf die Stabilität eines amorphen Phasenwechselmaterials gegen Kristallisation erlaubt. Bei der kritischen Behandlung der Literatur zur Kristallisationskinetik stellt sich heraus, dass die weit verbreitete klassische Kristallisationstheorie bislang noch nicht rigoros experimentell bestätigt werden konnte. Dies erweist sich deshalb als schwierig, weil die Vielzahl von quasi-freien Parametern in der Regel dafür sorgt, dass eine mathematische Übereinstimmung der Theorie mit den meist sehr begrenzten experimentellen Daten erreicht werden kann, ohne dass daraus unbedingt auf die Richtigkeit der Theorie geschlossen werden müsste. Bei Phasenwechselmaterialien stellt sich eine solche Überprüfung der Gültigkeit der Theorie als besonders schwierig heraus, da die Kristallisation in einem weiten Bereich hoher Temperaturen so schnell fortschreitet, dass eine experimentelle Quantifizierung von Nukleationsrate und Wachstumsgeschwindigkeit bisher nur in einem sehr begrenzten Regime niedriger Temperaturen möglich war. Eine Extrapolation solcher Daten über den gesamten Temperaturbereich hinweg bis hin zur Schmelztemperatur mittels der Formeln aus der klassischen Theorie wird darum als zu unsicher beurteilt. Um diese Lücke mit belastbaren Daten zu schließen und um damit den Weg für eine Entflechtung der elektronischen und der thermischen Effekte beim Schalten einer elektrischen Zelle zu bereiten, wurde ein neuer experimenteller Aufbau entworfen und realisiert. Er verbindet laserinduzierte thermische Experimente mit der Möglichkeit, elektrisch zu schalten und zu messen. Ergänzt werden diese beiden Zweige durch die Implementierung einer Steuerung für die Basistemperatur der Probe. Jeder dieser Kernbestandteile des neuen Messplatzes ist für sich genommen bereits ein technisch hoch entwickeltes Gerät, das seinen Benutzer in die Lage versetzt, Phasenwechselmaterialien auf schnellen Zeitskalen zu untersuchen. So werden etwa noch nie da gewesene Laserexperimente durchgeführt, die eine Entkopplung von Nukleation und Wachstum erlauben oder einen Weg zur quantitativen Bestimmung der Kristallisationskinetik in aus der Flüssigkeit abgeschreckten amorphen Phasen darstellen. Die letztgenannte Sorte amorpher Zustände ist von hoher technologischer Relevanz, da sie es sind, die beim Schalten in den Anwendungen erzeugt werden. Der neue Messplatz ist aber mehr als die bloße Summe seiner Teile. Die Kombination von optischen, elektrischen und thermischen Experimenten erschließt völlig neue Möglichkeiten. Dieses Potential wird in der Vorstellung von elektrischen Experimenten angedeutet, die zur Untersuchung des Phänomens des abrupten Einbruchs des Widerstands der amorphen Phase unter Anlegen eines elektrischen Feldes kritischer Stärke dient. Die Initialisierung einer ensprechenden Probe mittels gepulster Laserstrahlung erlaubt ein sauberes'' Experiment, dessen Randbedingungen, in diesem Fall sein Anfangszustand, nicht bereits durch die zu erforschende Eigenschaft selbst, nämlich das elektrische Verhalten, bestimmt ist. Eine solche schrittweise Vorgehensweise auf dem Weg von rein thermischen Experimenten hin zum Testen einer realistischen, aber komplexen Zelle eines phasenwechselbasierten elektronischen Datenspeichers ist notwendig, um die numerischen Simulationen sukzessive anzupassen. Diese Strategie ist essentiell, um ein wirkliches Verständnis der Schaltprozesse innerhalb einer solchen Zelle zu erreichen. Über diese technologisch wichtigen Messungen hinaus schafft der neue Aufbau die Voraussetzungen für eine Vielzahl weiterer optischer und elektrischer Experimente, die zur Erforschung der Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien wichtige Beiträge liefern können. Einige solcher Experimente werden beispielhaft am Ende dieser Arbeit vorgeschlagen.

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