Chalcogenide superlattices : growth, structure and applications

  • Chalkogenid-Übergitter : Wachstum, Struktur und Anwendungen

Lange, Felix Rolf Lutz; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Kooi, Bart J. (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien (engl. phase-change materials (PCM)) gehören zu einer der vielversprechendsten Materialklassen für zukünftige elektronische Datenspeicheranwendungenen, wie zum Beispiel die “Storage Class Memory” (SCM) Technologie. SCMs zielen darauf ab, die Lücke zwischen etablierten volumenreichen, nicht flüchtigen digitalen Speichermedien (z. B. Festplatte, FLASH) und flüchtigen, aber dafür schnellen Speichertechnologien (z. B. DRAM) zu schließen. Die Applikationsrelevanz von PCMs fußt auf einer hohen Lebensdauer, einer großen Speicherdichte (Multi-Bit Speichermöglichkeit in einer Zelle) sowie Programmierzeiten in der Größenordnung von Nanosekunden. In herkömmlicher PCM Technologie wird die binäre Information in zwei unterschiedlichen Festkörperphasen kodiert. Diese beiden Phasen, kristallin (SET Zustand) und amorphen (RESET Zustand), unterscheiden sich um Größenordnungen in ihrem elektrischen Widerstand. Der Phasenwechsel (Kristallisation, Amorphisierung) wird mittels joulescher Wärme thermische indiziert.Erst kürzlich konnte gezeigt werden, dass Übergitter aus GeTe/Sb2Te3 ihre stöchiometrischen Verbindungen auf der Linie zwischen GeTe und Sb2Te3 in Bezug auf ihre Schalteigenschaften signifikant übertreffen. So zeichnen sich diese Übergitter durch kürzere Programmierzeiten, kleinere Leistungsaufnahmen sowie erhöhte Lebensdauer aus. Im Unterschied zur konventionellen PCM Technologie wird hier argumentiert, dass der elektrische Kontrast zwischen SET und RESET von zwei kristallinen Phasen herrührt. Diese zwei Phasen unterscheiden sich in ihrer atomaren Anordnung an der Grenzfläche zwischen GeTe und Sb2Te3. Das Schalten zwischen diesen beiden atomaren Konfigurationen wird vom angelegten elektrischen Feld induziert, im Kontrast zum thermisch induzierten Phasenwechsel in konventioneller PCM Technologie. Während das verbesserte Schaltverhalten in zahlreichen Publikationen bestätigt wurde, wird der zu Grunde liegende Schaltmechanismus stark diskutiert.Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum, der Struktur, der thermischen Stabilität und der thermischen Leitfähigkeit dieser GeTe/Sb2Te3 Übergitter (engl. chalcogenide superlattice: CSL). Hoch texturierte CSLs wurden erfolgreich mittels DC Magnetron Sputterdeposition hergestellt. Ihre hohe strukturelle Qualität spiegelt sich in prominenten Röntgendiffraktionsmerkmalen wie Übergitter-Bragg-Peaks und Satelliten wieder. Erfolgreiches CSL Wachstum konnte bis zu einer minimalen Bilagendicke Λ von Λ=34Å demonstriert werden. Allerdings wurde bei solch kleinen Bilagendicken eine Durchmischung von GeTe und Sb2Te3 an der Grenzfläche beobachtet. Die Tendenz zur Durchmischung der beiden Materialien wurde zudem in Heizexperimenten festgestellt. Während das Übergitter bis zu einer Temperatur von 300°C intakt blieb, führten höhere Temperaturen zur Bildung einer stabilen GeTe-Sb2Te3 Verbindung.Zu Beginn dieser Arbeit gab es keine experimentellen Daten zur thermischen Leitfähigkeit κ dieser CSLs. Aufgrund des thermisch indizierten Phasenwechsels in herkömmlicher PCM Technologie, ist die thermische Leitfähigkeit von PCMs eines der entscheidenden Parameter, welches die Schalteffizienz beeinflusst. Aus diesem Grund wurde κ an Übergittern mit verschiedener Bilagendicke Λ gemessen. Es hat sich herausgestellt, dass κ deutlich kleiner ist als die thermische Leitfähigkeit von GeTe und Sb2Te3. Zudem bildet κ ein Minimum in Abhängigkeit der Bilagendicke Λ aus. Ein solches Minimum ist charakteristisch für Übergitter mit hoher Grenzflächenqualität.Zurzeit werden weder die lokale Durchmischung an der GeTe/Sb2Te3 Grenzfläche, noch die bemerkenswert kleine thermische Leitfähigkeit in den Schaltmodellen berücksichtigt. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse stellen daher wertvolle Beiträge dar, um die Ursachen des verbesserten Schaltverhaltens in diesen Übergitterstrukturen zu ergründen.

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