Chalkogenidlegierungen für optische und elektronische Speichermedien

Dieker, Henning; Wuttig, Matthias

doi:HT015140961

Chalkogenidlegierungen für optische und elektronische Speichermedien = Chalcogenide alloys for optical and electrical data storage

Dieker, Henning (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Henning Dieker

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang131 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-10-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17685
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62250/files/Dieker_Henning.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Amorpher Festkörper (frei) ; Festkörperphysik (frei) ; Chalkogenide (frei) ; Phasenwechselmedien (frei) ; Phase change media (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Phasenwechsellegierungen finden seit einigen Jahren weite Verbreitung in optischen Datenträgern. In naher Zukunft werden zusätzlich elektronische Speicherchips auf der Basis von Phasenwechsellegierungen kommerziell erhältich sein. Trotz der starken Nutzung dieser Legierungen fehlt noch ein klares Verständnis ihrer entscheidenden zugrunde liegenden Eigenschaften. Um das Verständnis von Phasenwechsellegierungen zu verbessern, wurden in dieser Arbeit systematisch die zugrunde liegenden Eigenschaften dieser untersucht. Dabei wurden die meisten Untersuchungen an einer Legierung, GeSb2Te4, durchgeführt, da für diese bereits theoretische Vorhersagen auf der Basis von DFT Berechnungen vorlagen. An dieser Beispiellegierung wurde gezeigt, wie ihre unterschiedlichen Eigenschaften direkt aufeinander aufbauen. Die Basis für die Verwendung von Phasenwechsellegierungen in zukünftigen so genannten PCM Speicherchips stellt dabei die beobachtete Änderung der Leitfähigkeit von etwa drei Größenordnungen zwischen der amorphen und der kochsalzartigen Phase der Legierung dar. Allerdings kommt die Anwendbarkeit in elektronischen Speichern nur durch die Kombination mit einer Reihe weiterer Eigenschaften zustande. So liegt die Kristallisationstemperatur etwa bei 130°C, einem Wert, der auf der einen Seite hoch genug ist, um die Langzeitstabilität der gespeicherten Information sicherzustellen, aber auf der anderen Seite gering genug ist, um den Energieverbrauch bei Schreibvorgängen zu minimieren. Um bei den Schreibvorgängen gleichzeitig kurze Zugriffszeiten zu ermöglichen, sind die schnellen Kristallisationzeiten von 5 ns wichtig. In dieser Arbeit wurde durch eine Reihe unterschiedlicher Techniken der Zusammenhang zwischen den elektrischen und optischen Eigenschaften sowie der Struktur von Phasenwechsellegierungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die GeSbTe Legierungen in der amorphen Phase eine thermisch aktivierte Leitfähigkeit mit einer Aktivierungsbarriere von etwa 0,4 eV und einem relativ hohen spezifischen Widerstand von einigen Ohmm bei Raumtemperatur besitzen. Dabei wird durch strukturelle Relaxation der Widerstand im Laufe der Zeit größer, begleitet von einem Steigen der Aktivierungsbarriere. Nach der Kristallisation bei etwa 130°C weist die Legierung eine um etwa drei Größenordnungen gestiegene Leitfähigkeit auf. Diese Änderung der Leitfähigkeit liegt begründet in einer Änderung der optischen Bandlücke. Während diese in der amorphen Phase bei etwa 0,6 eV liegt, sinkt sie nach der Kristallisation auf etwa 0,4 eV. Neben dieser Verkleinerung der optischen Bandlücke in der kristallinen Phase zeigen UPS Messungen ein weiteres Detail der größeren Leitfähigkeit. Nach der Phasenumwandlung liegt das Ferminiveau deutlich näher am Valenzband und erklärt damit die bereits beobachtete p-artige Leitung in der Kochsalzphase von GeSbTe Legierungen. Um die veränderte Zustandsdichte genauer zu verstehen, wurden zusätzlich XPS Messungen an amorphem und kristallinem (NaCl) GeSb2Te4 durchgeführt. Hier zeigen sich deutlich zwei verschiedene Effekte. Zum Ersten ein deutlich gestiegener Anteil an freien Ladungsträgern, und zum Zweiten eine Verschiebung der Ladung. Die XPS Spektren zeigen einen Ladungstransfer vom Germanium zum Antimon nach der Kristallisation. Dies ist ein Indiz für die deutlich veränderten Bindungsverhältnisse zwischen der amorphen und kristallinen Phase. Während in der kristallinen Phase eine kochsalzartige Koordination der Atome vorliegt, ändert sie sich in der amorhen Phase zu einer Spinellartigen Konfiguration in der die Germanium Atome tetraedrisch koordiniert sind. Neben dieser Änderung der Koordination wiesen die XPS Daten eine weitere Besonderheit auf. Aufgrund der deutlichen Verbreiterung der Germanium 3d Emission in amorphen GeSb2Te4 im Vergleich zu amorphem Germanium, liegt der Verdacht nah, dass die Germanium Atome in amorphem GeSb2Te4 in zwei unterschiedlichen Konfigurationen vorliegen. Die zusätzliche Auswertung der Sb und Te 3d Emission deutet dabei auf eine Kombination von tetraedrisch und oktaedrisch koordiniertem Germanium in der amorphen Phase hin. Damit liefert diese Arbeit erstmalig ein Indiz für zwei unterschiedliche Umgebungen der Germaniumatome in der amorphen Phase von GeSb2Te4.

Phasechange alloys are commonly used in optical data storage. Within the next few years an additional application of these alloys is expected to be in solid state memories. In contrast to their widespread use, an understanding of the underlying mechnisms is still incomplete. In this work the properties of these alloys have been investigated systematically to improve the knowledge on phase change alloys. Most of these investigations were performed on GeSb2Te4, because of the DFT calculations available for this compound. On this example it is demonstrated how the different properties rely on each other. The Basis for the use of phasechange alloys in next generation solid state memories is built on the large difference in resistivity of the amorphous and crystalline phase. Additionally the crystallization temperature of around 130°C is important, since it enables a long data retention times. In combination with a fast crystallisation speed of 5 ns at elevated temperatures a fast writing at moderate energy consumption is possible. In this work a number of different techniques were employed to reveal the relationship of optical and electrical properties with the structure of these alloys. The GeSbTe alloys under investigation showed a thermally activated conductivity in the amorphous phase. The corresponding activation barrier was around 0.4 eV while the resistivity was about a few Wmat room temperature. Due to structural relaxation the resistivity and the activation barrier for transport increase with time. After crystallization at around 130°C the resistivity drops by three orders of magnitude while the optical bandgap changes from 0.6 eV to 0.4 eV. UV photon spectroscopy measurements revealed that these features are caused by a signifikant shift in the electron density in the valence-band. Additional x-ray photon spectroscopy showed the differences between in the underlying amorphous and crystalline structures. Here two main effects were observed. First a larger amount of free charge carriers was found in the crystalline phase. Secondly a charge transfer from one atomic species to another was observed. This charge transfer explains the large property contrast between the two phases. While the atoms in the crystalline phase are coordinated in the rocksalt structure the amorphous phase appears to be dominated by a spinell like arrangement of atoms. But these measurements also indicated that in the amorphous phase a second local arrangement of atoms can be found.

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