Optische Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien für zukünftige optische und elektronische Speicheranwendungen

  • Optical properties of phase change materials for novel optical and electrical storage applications

Kremers, Stephan; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Das einzigartige Eigenschaftsportfolio von Phasenwechselmaterialien führt zu Anwendungen auf dem Gebiet der optischen und in naher Zukunft auch elektrischen Datenspeicherung. Die Materialwahl für optische Datenspeicher, die bereits erfolgreich zur Marktreife gebracht wurden, basierte größtenteils auf empirischen Erkenntnissen. Besonders im Hinblick auf zukünftige erfolgreiche elektronische Anwendungen wäre es wichtig, auf Design-Regeln zur Steuerung bestimmter physikalischer Eigenschaften von Phasenwechsellegierungen zurückzugreifen. Dazu ist ein grundlegendes Verständnis charakteristischer Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien nötig. Diese Arbeit beschäftigt sich vorwiegend mit der Erforschung der optischen Eigenschaften von amorphen und kristallinen Phasenwechselmedien. Die optischen Eigenschaften geben sowohl Auskunft über charakteristische Merkmale der chemischen Bindung, als auch über elektrische Transportparameter. Wenn die freien Ladungsträger genügend Einfluss auf die optischen Eigenschaften nehmen, kann die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden. Für große Streuzeiten (oder auch Stoßzeiten) können zusätzlich Transportparameter wie eben die Streuzeit, der Quotient aus Ladungsträgerkonzentration und effektiver Masse und das Produkt aus Mobilität und effektiver Masse angegeben werden. Falls die Streuzeiten zu klein sind, können trotzdem noch Grenzen für diese Transportparameter ermittelt werden. Für die Bestimmung der optischen Eigenschaften wurde FTIR Reflektometrie im Infraroten und Ellipsometrie im sichtbaren Spektralbereich in Verbindung mit metallischen Reflektoren als Substrate verwendet. Der Vergleich der optischen mit elektrischen und strukturellen Eigenschaften führt zu einem tiefen Einblick in die Physik der Phasenwechselmaterialien. Eine Analyse der Polarisierbarkeit verschiedener Phasenwechselmaterialien zeigt, dass die optischen Eigenschaften von amorphen Systemen in Abhängigkeit von der Dichte und der Stöchiometrie gut beschrieben werden können. Die Polarisierbarkeit von kristallinen Systemen ist außerordentlich hoch, was zu der Erkenntnis geführt hat, dass sich die chemische Bindung bei der Kristallisation ändern muss. Zu dem für Halbleiter bekannten kovalenten Bindungscharakter kommen bei der Kristallisation durch verstärkte mittelreichweitige Ordnung resonante Bindungen hinzu. Diese entstehen dadurch, dass es mehr Bindungen gibt (sechs in der NaCl-Struktur), als nach der 8-N-Regel erlaubt sind (drei p-Elektronen). Da kristalline Phasenwechselmaterialien üblicherweise über Leitfähigkeiten von mehr als 10 S/cm verfügen, besitzen die Ladungsträger einen erheblichen Einfluss auf das FTIR Spektrum und können mit dem Drude-Modell beschrieben werden. Sowohl die Analyse der optischen Spektren, als auch elektrische Messungen ergeben bei Phasenwechselmedien Leitfähigkeiten in ähnlicher Größenordnung. Das und die Ermittlung von sehr kurzen Streuzeiten legt die Vermutung nahe, dass Streukanäle für elektrische Ladungsträger in mikroskopischen Materialeigenschaften zu finden sind und nicht etwa bei Korngrenzen. Ladungsträgerkonzentrationen liegen nur wenige Größenordnung unter denen von Metallen. Dies ist ein erster Hinweis darauf, dass kristalline Phasenwechselmaterialien degenerierte Halbleiter sind. Da bei der Verwendung von Goldreflektoren Diffusions- und Reaktionsprozesse nachgewiesen wurden, und diese einen marginalen Einfluss auf die Bestimmung der optischen Eigenschaften besitzen, wurde anschließend auf Aluminiumreflektoren oder Siliziumsubstrate zurückgegriffen. Einige Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise GeSbTe-Legierungen, zeigen den Effekt, dass der elektrische Widerstand eines kristallinen Dünnfilms ohne eine Veränderung der Kristallstruktur durch eine verstärkte vorherige thermische Behandlung bis zu zwei Größenordnungen verringert werden kann. Andere Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise GeTe, zeigen diesen Effekt nicht. Die Frage, wie sich die optischen Eigenschaften von diesen Phasenwechselmaterialien abhängig von der thermischen Behandlung verhalten, führt zu weiteren Erkenntnissen hinsichtlich der Physik der Phasenwechselmaterialien. Bei den kristallinen Phasenwechselmaterialien verhalten sich die optischen Eigenschaften analog zu den elektrischen Eigenschaften. Die FTIR-Spektren von kristallinem Ge1SbTe4 oder Ge2Sb2Te5 zeigen sowohl eine systematische Veränderung im Drude-Term, als auch in den Interbandübergängen in Abhängigkeit von der Heiztemperatur. Dies bedeutet, dass die Veränderung der Transportparameter mit einer Änderung des resonanten Bindungscharakters einhergeht. Daraus folgt wiederum, dass in diesem Fall die Kenntnis der chemischen Bindungen hilft, elektrische Transporteigenschaften von Phasenwechselmaterialien zu beschreiben. Kristallines GeTe hingegen zeigt von der Heiztemperatur weitestgehend unabhängige Spektren, analog zu den elektrischen Eigenschaften. Des Weiteren wurden amorphe Systeme abhängig von der Heiztemperatur untersucht. Durch eine thermische Behandlung werden strukturelle Relaxationsprozesse beschleunigt, da für diese Energiebarrieren überwunden werden müssen, was durch den Einfluss der Temperatur begünstigt wird. Die Analyse der FTIR-Spektren zeigt, dass die Bandlücke der amorphen Phase in Abhängigkeit von der Heiztemperatur steigt. Das Standard Transport Modell bietet damit eine mögliche Erklärung für das Phänomen Drift, einen mit der Zeit steigenden Widerstand in amorphen Phasenwechsellegierungen. Zusätzlich konnten optische Messungen an einem teilkristallinen GeTe-Dünnfilm in Kombination mit strukturellen, kalorimetrischen und elektrischen Messungen Aufschluss über das heterogene Kristallwachstum geben. Mit Hilfe eines Kryostaten wurden FTIR Messungen temperaturabhängig zwischen 5 K und 350 K durchgeführt. Bei diesen Tieftemperaturmessungen konnten strukturelle Veränderungen ausgeschlossen werden. Somit wurde ein rein elektronischer Effekt gemessen. Die Temperaturabhängigkeit der Bandlücke ist in amorphen Systemen deutlich größer als in kristallinen Systemen. Die amorphen Systeme besitzen untereinander ähnliche Abhängigkeiten. Gleiches gilt für die kristallinen Systeme. Die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der Bandlücke ist wichtig für Simulationen der temperaturabhängigen Leitfähigkeit, sowie für die Interpretation von Seebeck- oder MPC (Modulated Photocurrent) Daten. Freie Ladungsträger können selbst bei 5 K nicht ausgefroren werden. Die Materialien, bei denen die Transportparameter exakt bestimmt werden können, zeigen eine Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit und anderen Transportparametern ähnlich der von Metallen beziehungsweise von degenerierten Halbleitern.

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