Electronic switching in phase-change materials

  • Elektronisches Schalten in Phasenwechselmaterialien

Bruns, Gunnar; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien (PCM) besitzen einen einzigartigen Kontrast physikalischer Eigenschaften zwischen ihrer kristallinen und amorphen Phase. So unterscheidet sich der spezifische Widerstand beider Phasen in manchen Materialien um mehrere Größenordnungen. Ebenso gibt es einen beachtlichen Kontrast im Reflexionsvermögen, der bereits industrielle Anwendung gefunden hat: in optischen Medien wie CD, DVD und Bluray Disks ermöglichen dünne Schichten aus PCM eine mehrfach wiederbeschreibbare Datenspeicherung. Und obwohl beide Phasen an Raumtemperatur für Jahrzehnte stabil sind, ist es bei höheren Temperaturen möglich, innerhalb von Nanosekunden zwischen den Phasen zu wechseln. Diese erstaunliche Kombination von Stabilität und schnellen Übergängen, gemeinsam mit dem ausgeprägten Eigenschaftskontrast, macht PCMs zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige, nicht flüchtige, elektronische Speicher. In dieser Arbeit wurden drei physikalische Aspekte solcher Speicher untersucht, wofür speziell angefertigte Messplätze geschaffen wurden, um die Herausforderungen zu meistern, die bei Messungen auf der Picosekunden-Skala und mit Widerständen von mehreren hundert Gigaohm auftreten. Die Limitierung der Geschwindigkeit von Schreib- und Lösch-Operationen ist ein wesentliches Thema bei der Realisierung auf PCMs basierender elektronischer Speicher, die mit den bereits etablierten Konzepten konkurrieren sollen. Zur Zeit werden zwei Klassen zur Speicherung elektronischer Daten in Computern genutzt. Zum einen gibt es die schnellen, aber flüchtigen Arbeitsspeicher (memory), wie DRAM (dynamic random access memory) und SRAM (static random access memory). Zum anderen sind da die langsameren, aber nicht flüchtigen Speicher (storage), wie Festplatte, Flash und optische Medien. Unter dem Blickwinkel der Geschwindigkeit klafft eine Lücke von mehrerer Größenordnungen zwischen den Konzepten Arbeitsspeicher und Langzeitspeicher. Phasenwechsel-Speicher könnten diese Lücke schließen und eine neue Speicherklasse (storage class memory) schaffen und eventuell sogar einen nicht flüchtigen Arbeitsspeicher ermöglichen, der den flüchtigen DRAM ersetzt. In dieser Arbeit werden Untersuchungen der Schaltgeschwindigkeiten in Phasenwechsel-Speichern präsentiert, die belegen, dass der Phasenübergang innerhalb weniger Nanosekunden stattfinden kann. Dies demonstriert das Potential der PCMs unter dem Gesichtspunkt der Schaltgeschwindigkeit mit dem DRAM mithalten zu können. Das zweite Thema dieser Arbeit sind die Übergangsphänomene, die auftreten, wenn PCMs hohen elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Das ”Threshold switching“ beschreibt die plötzliche Abnahme des spezifischen Widerstandes. Dieser Effekt kann in amorphen PCMs beobachtet werden, sobald die angelegten Feldstärken einen Schwellenwert überschreiten. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die sowohl den Einbruch des Widerstandes mit dem ”Threshold switching“ beschreiben, als auch die Lebenszeit des damit verbundenen angeregten Zustandes hoher Leitfähigkeit. Während aktuelle Publikationen eine charakteristische Feldstärke für jedes PCM nutzen, um das Auftreten des ”Threshold switching“ zu beschreiben, kann aus den Ergebnissen dieser Arbeit gefolgert werden, dass es eine feldabhängige Verzögerungszeit gibt, die die plötzliche Änderung der Leitfähigkeit vorhersagt. Neben diesem außergewöhnlichen Verhalten ungeordneter Halbleiter unter dem Einfluss hoher elektrischer Felder gibt es einen weiteren Effekt, der auch ohne äußere Felder auftritt und einen enormen Einfluss auf Phasenwechsel-Speicher hat: die Widerstandsdrift. Dieser Effekt beschreibt das zeitliche Ansteigen des spezifischen Widerstandes amorpher PCMs. In dieser Arbeit werden Daten präsentiert, die die Gleichartigkeit dieses Effektes in unstrukturierten Filmen und in Speicherzellen belegen. Diese Daten wurden genutzt, um ein existierendes Modell zu modifizieren, das den Ursprung der Drift erklärt. Die bekannte Abhängigkeit des Drift Verhaltens von der Aktivierungsenergie für den Ladungstransport kann bestätigt werden und zusätzlich kann ein neuer Aspekt dieser Abhängigkeit gezeigt werden.

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