Electrical transport and switching in phase change materials

Krebs, Daniel; Wuttig, Matthias

doi:29988

Electrical transport and switching in phase change materials = Elektrischer Transport und Schalten in Phasenwechselmaterialien

Krebs, Daniel (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel Krebs

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIII, 162, XXI S.: Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-03-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31853
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51594/files/Krebs_Daniel.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Halbleiter (Genormte SW) ; Halbleiterspeicher (Genormte SW) ; Halbleitertechnologie (Genormte SW) ; Nichtflüchtiger Speicher (Genormte SW) ; Speicherzelle (Genormte SW) ; RAM (Genormte SW) ; IBM (Genormte SW) ; Speicher <Informatik> (Genormte SW) ; Elektronischer Transport (Genormte SW) ; Schaltvorgang (Genormte SW) ; Phase-Change-Technologie (Genormte SW) ; Schwellenspannung (Genormte SW) ; Rekombination (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Widerstand (frei) ; Widerstandsdrift (frei) ; Amorph (frei) ; Threshold Feld (frei) ; IBM Almaden Research Center (frei) ; amorphous (frei) ; Generation-Recombination-Model (frei) ; Threshold Switching (frei) ; resistance drift (frei) ; on-state (frei) ; bridge cells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 72.20.Ht * 72.20.Jv * 72.80.Ng * 72.20.-i

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.

Phase change materials, typically composed out of Ge, Sb and Te alloys, are materials that can switch very fast between two stable states, the amorphous and the crystalline phase. The optical contrast of the two stable phases led to the application in optical data storage such as compact disks (CD), digital versatile disks (DVD) and Bluray disk. Due to the pronounced contrast in resistivity between the amorphous and the crystalline phase, phase change materials can also be used in electrical data storage devices. Since the two phases are stable at moderate temperatures, phase change memory is non-volatile, i.e. it does not need a power supply to sustain the information. Additionally, phase change memory is faster than the well-established Flash memory and exhibits a better cyclability and scalability. Therefore, phase change memory has become one of the most promising candidates for future non-volatile memory applications and also a candidate to bridge the gap between fast dynamic random access memory (DRAM) and slow non-volatile memory types. A precondition for fast switching from the low conductive amorphous phase into the high conductive crystalline phase is a phenomenon called threshold switching. At a characteristic threshold field the amorphous phase becomes highly conductive entering the so called amorphous on-state. Once the phase change memory is in the high conductive amorphous on-state, a high current can flow which enables Joule heating and therefore the phase transition. In fast memory applications like DRAM, threshold switching and the transient dynamics of the amorphous on-state are very important but poorly understood at the present time. Therefore, in this work the switching behavior of phase change materials and the dynamics of the amorphous phase have been studied. Phase change bridge devices of various width and length have been produced using several phase change materials as the active component. A very fast switching material, Ge15Sb85, has been found to switch within 10 ns. The pronounced differences (e.g. in crystallization temperature and crystallization speed) between the amorphous-as-deposited and amorphous-as-melt-quenched phases have been studied and explained with a difference in geometry of the environment of the active area. No evidence for an intrinsic difference has been found leading to the conclusion that it is adequate to study intrinsic properties of the amorphous-as-deposited phase which is much easier to obtain especially in thin film experiments. Furthermore, threshold switching in various phase change materials has been studied experimentally and linked to a generation-recombination statistics model in a multiple band transport picture. The simulations could reproduce all features observed in the experiment, and it was found that the threshold switching field varies strongly between different phase change materials which was linked to the difference in bandgap and defect states. Another requirement for a memory technology to succeed in the market is the potential to store multiple bits in a single memory cell (multi level storage). Thus, different states of resistance need to be stored in a phase change memory cell for multi level storage, which is achieved by producing amorphous marks of different size. Phase change materials are facing a challenge in this approach because of the resistance drift phenomenon. The resistivity at room temperature in the amorphous phase is increasing with time which would cause a memory cell drifting from one state into another. Therefore, it is important to achieve a better understanding of the amorphous phase to prevent resistance drift or at least describe it so that it can be handled in memory cells. For this reason, in this work the temperature dependence of several transport properties such as conductivity, field effect mobility and Seebeck coefficient has been studied. Based on optical absorption experiments a model of the density of states for the amorphous phase was developed. Considering hopping in localized states and transport in extended states, the experimentally observed transport properties were modeled. It is shown that band transport is predominant and that the resistance drift phenomenon can be explained by an increase of the bandgap. This result was confirmed by the absorption measurements.

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