Electrical transport in crystalline phase change materials

  • Elektrische Transporteigenschaften kristalliner Phasenwechselmaterialien

Woda, Michael; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2010, 2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden die elektrischen Transporteigenschaften von kristallinen Phasenwechselmaterialien behandelt. Phasenwechselmaterialien (PWM) gehören zu einer speziellen Klasse von halbleitenden, sowie metallischen Dünnschichtlegierungen, welche typischerweise einen hohen Kompositionsanteil des Gruppe fünf Elementes Antimon oder des Gruppe sechs Elementes Tellur aufweisen, wie z.B.Ge2Sb2Te5. Die einzigartige Eigenschaftszusammenstellung dieser Materialklasse ermöglicht einen Einsatz in Speicheranwendungen. PWM können zwischen den beiden bei Raumtemperatur stabilen amorphen und kristallinen Phasen mittels schnellen optischen oder elektrischen Pulsen reversibel geschaltet werden. Zudem weisen sie einen ausgeprägten Eigenschaftskontrast in Form von optischer Reflektivität und elektrischer Leitfähigkeit zwischen den beiden Phasen als charakteristisches Merkmal auf. Das neuartige Speicherkonzept PCRAM (Phase change random access memory) ist ein sehr aussichtsreicher Kandidat, um den etablierten FLASH Speicher in naher Zukunft abzulösen und hat zudem das Potential die Realisierung eines universellen Speichers, welcher die Eigenschaft der Nicht-Flüchtigkeit mit der Geschwindigkeit und Ausdauer von DRAM kombiniert, zu ermöglichen. Eine der wichtigsten technologischen Herausforderungen ist der Schaltprozess mit dem größten Stromverbrauch in den amorphen Zustand. Um den Stromverbrauch bei gegebener Versorgungsspannung bei diesem Schaltprozess zu minimieren, ist eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes der kristallinen Phase notwendig. Daher ist eine Vergrößerung des Verständnisses und eine gezielte Maßschneiderung dieser Eigenschaft wünschenswert. In dieser Arbeit wird zunächst die technologische Relevanz von PWM in Form von optischen und elektronischen Speicheranwendungen vorgestellt (Kapitel 2.1). Im Anschluss erfolgt eine Beschreibung der relevanten physikalischen Materialeigenschaften in vier kurzen Teilabschnitten: Strukturelle (Abschnitt 2.2.1), kinetische (Abschnitt 2.2.2), optische (Abschnitt 2.2.3) und elektrische Eigenschaften (Abschnitt 2.2.4). In Kapitel 2.3 werden zwei wichtige kürzlich erzielte Fortschritte, der Einfluss der Resonanzbindung in der kristallinen Phase, sowie die Erstellung eines Eigenschaftbeschreibenden Koordinatensystemes zusammengefasst. Die theoretischen Grundlagen zum elektrischen Transport werden in Kapitel 3 behandelt. Im Folgenden (Kapitel 4) werden die experimentellen Untersuchungsmethoden: Sputter Deposition, XRR, XRD, DSC, Tempern, Profilometrie, Ellipsometrie, FTIR Spektroskopie, Van der Pauw, Hall und elektrisches sowie optisches Schalten mittels kurzer Pulse vorgestellt, welche im zweigeteilten Ergebnisteil (Kapitel 5) Anwendung bei den Untersuchungen finden. Im ersten Teil des Ergebniskapitels werden die strukturellen, thermischen, optischen und elektrischen Eigenschaften von drei Legierungen, basierend auf Sb2Te, diskutiert. Im zweiten Teil steht die systematische Veränderung der DC-Leitfähigkeit von pseudo-binären GeTe-Sb2Te3 Legierungen durch kontrolliertes Tempern im Fokus der Untersuchungen. Die Widerstandsänderung wird im Konzept eines Metall-Isolator Überganges diskutiert, welche experimentell durch eine kombinierte van der Pauw, XRD, Hall, STM und FTIR Messkampagne unterstützt wird.

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