Electrical transport and switching in phase change materials

  • Elektrischer Transport und Schalten in Phasenwechselmaterialien

Krebs, Daniel; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien, in der Regel hauptsächlich aus Ge, Sb und Te Legierungen zusammengesetzt, sind Materialien die sehr schnell zwischen zwei stabilen Zuständen wechseln können, der amorphen und kristallinen Phase. Der optische Kontrast zwischen den beiden stabilen Phasen führte zur Anwendung in optischen Datenspeichern wie compact disk (CD), digital versatile disks (DVD) and Bluray disk. Aufgrund des starken Kontrasts zwischen dem Widerstand der amorphen und der kristallinen Phase können Phasenwechselmaterialien auch als elektronische Datenspeicher verwendet werden. Da die beiden Phasen bei moderaten Temperaturen stabil sind, ist solch ein Phasenwechselspeicher nicht-flüchtig, d.h. es muss keine Spannung anliegen, um die Informationen zu erhalten. Darüber hinaus sind Phasenwechselspeicher schneller als Flash und weisen eine höhere Zahl von Wiederbeschreibzyklen und bessere Skalierbarkeit auf. Daher sind Phasenwechselspeicher eine der aussichtsreichsten Kandidaten für zukünftige nicht-flüchtige Speicher-Anwendungen und könnten die Lücke schließen zwischen schnellem dynamic random access memory (DRAM) und langsamen nicht-flüchtigen Speicherformen. Eine Voraussetzung für schnelles Schalten von der gering leitfähigen amorphen Phase zur hoch leitfähigen kristallinen Phase ist das so genannte threshold switching Phänomen. Bei einer charakteristischen Feldstärke geht die amorphe Phase in den so genannten, hoch leitfähigen on-state. Wenn das Phasenwechselmaterial in diesem hoch leitfähigen, amorphen on-state ist, kann ein Strom fließen, der das Material aufheizt und damit die Phasenumwandlung ermöglicht. In schnellen Speicher-Anwendungen wie DRAM ist threshold switching und die kurzlebige Dynamik des amorphen on-states sehr wichtig aber gegenwärtig nicht ausreichend verstanden. Deshalb wurde in dieser Arbeit das Schaltverhalten von Phasenwechselmaterialien und die Dynamik der amorphen Phase untersucht. Einzelne Zellen unterschiedlicher Breite und Länge eines Phasenwechselspeichers wurden unter Verwendung verschiedener Phasenwechselmaterialien als aktive Komponente hergestellt. Ein sehr schnelles Material, Ge15Sb85, wurde gefunden, dass innerhalb von 10 ns geschaltet werden kann. Die ausgeprägten Unterschiede (zum Beispiel in kristallisations Temperatur und kristallisations Geschwindigkeit) zwischen der amorphen „as-deposited” und der amorphen „as-melt-quenched” Phase wurden untersucht und mit einem Unterschied in der Geometrie der Umgebung des aktiven Gebiets erklärt. Für einen intrinsischen Unterschied wurden keine Hinweise gefunden, weshalb es ausreichend ist intrinsische Eigenschaften der amorphen „as-deposited” Phase zu untersuchen, die vor allem in Dünnschicht-Experimenten sehr viel einfacher zu erhalten ist. Außerdem wurde threshold switching von verschiedenen Phasenwechselmaterialien experimentell untersucht und mit einem Generations-Rekombinations Model im Bandtransport Bild verknüpft. Die Simulation konnte alle experimentell beobachteten Merkmale reproduzieren, und es wurde herausgefunden, dass das threshold Feld stark materialabhängig ist, was mit dem Unterschied in der Bandlücke und Defektzuständen in Verbindung gebracht werden kann. Eine andere Voraussetzung damit sich eine Speicher-Technologie auf dem Markt durchsetzen kann ist das Potential mehrere Bits in einer Speicherzelle zu speichern (Multi level storage). Deshalb ist es nötig, dass in einer Phasenwechselspeicherzelle verschiedene Widerstandszustände gespeichert werden können, was durch das produzieren von unterschiedlich großen amorphen Bereichen erreicht wird. Phasenwechselspeicher stoßen hier auf eine Herausforderung wegen des Widerstandsdrift Phänomens. Bei Raumtemperatur steigt der Widerstand der amorphen Phase mit der Zeit an, was dazu führen kann, dass eine Speicherzelle von einem Zustand in den Nächsten driftet. Deshalb ist ein besseres Verständnis der amorphen Phase unerlässlich um Widerstandsdrift zu verhindern oder zumindest zu beschreiben, damit in Speicherzellen damit umgegangen werden kann. Aus diesem Grund wurd in dieser Arbeit die Temperaturabhängigkeit von mehreren Transporteigenschaften wie Leitfähigkeit, Feldeffekt Beweglichkeit und Seebeck-Koeffizient untersucht. Basierend auf optischen Absorptionsexperimenten wurde ein Modell für die Zustandsdichte für die amorphe Phase entwickelt. Unter Berücksichtigung von Hopping in lokalisierten Zuständen und Transport in delokalisierten Zuständen, wurden die experimentell beobachteten Transporteigenschaften modelliert. Es wird gezeigt, dass Bandtransport gegenüber Hopping überwiegt und dass der Widerstand Drift durch eine Vergrößerung der Bandlücke erklärt werden kann. Dieses Ergebnis wurde durch Absorption Messungen bestätigt.

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