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000660350 245__ $$aChalcogenide superlattices : growth, structure and applications$$cvorgelegt von Diplom-Physiker Felix Rolf Lutz Lange$$honline
000660350 246_3 $$aChalkogenid-Übergitter : Wachstum, Struktur und Anwendungen$$yGerman
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000660350 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000660350 502__ $$aDissertation, RWTH Aachen University, 2016$$bDissertation$$cRWTH Aachen University$$d2016$$gFak01$$o2016-06-24
000660350 5203_ $$aPhasenwechselmaterialien (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.$$lger
000660350 520__ $$aPhase-change materials (PCMs) are one of the most promising candidates for emerging storage class memory (SCM) technology. SCMs aim at bridging the cost-performance gap between nowadays established memory solutions (fast, but volatile, e.g. DRAM) and data storage technologies (slow, but non-volatile, e.g. FLASH). The application potential of PCMs rests on a high endurance, high bit density (multi-level cell capability) and programming times of the order of nanoseconds. In conventional PCM technology, the binary information is encoded by two different solid states: a crystalline (SET state) and an amorphous phase (RESET state) which differ by orders of magnitude in their electrical resistance. The phase transition is induced thermally allowing for crystallization (SET operation) or melt-quenching (RESET operation) and thereby amorphization.Only recently, superior switching properties have been reported for device-integrated GeTe/Sb2Te3 superlattice (SL) PCMs that outperform GeTe-Sb2Te3 alloys in terms of programming time, power consumption and endurance. In difference to conventional PCM technology, the contrast between SET and RESET is argued to stem from two crystalline states that differ in their local atomic arrangement at the GeTe/Sb2Te3 interface. The switching between these two atomic configurations is argued to be electric-field-driven, rather than thermally induced as in conventional PCMs. This novel switching mechanism has been ascribed for the improved device performance. At present, the superior switching behavior is confirmed in numerous publications, yet the underlying switching mechanism is under strong debate.This thesis provides insights into the structure, growth, thermal stability and thermal conductivity of GeTe/Sb2Te3 superlattices (chalcogenide superlattice: CSL). Highly textured CSLs were grown by direct-current magnetron sputter deposition. Their structural quality is mirrored in prominent SL X-ray diffraction features such as SL Bragg peaks and equally spaced satellites. CSLs have been prepared with bilayer thicknesses Λ as small as Λ=34Å.Yet, intermixing was observed at such small values of Λ giving rise to local GeTe-Sb2Te3 alloying at the interface. This tendency for intermixing was also found in case of post-deposition annealing of the CSLs.  The SL stacking is unaffected by any thermal treatment at temperatures up to 300°C. At higher temperatures, the artificial stacking dissolves into a stable GeTe-Sb2Te3 compound.At the beginning of this thesis, no data on the thermal conductivity κ was available for GeTe/Sb2Te3 SL. Yet, κ is a parameter that crucially determines the device performance in conventional PCM technology. Therefore, the thermal conductivity of CSLs with different values of Λ was measured. It was found that κ is significantly reduced compared to GeTe and Sb2Te3, respectively. Moreover, κ develops a minimum in dependence of Λ which approaches values of amorphous PCMs. Such a minimum is a fingerprint of SL structures with high interface quality.The present switching models consider neither the local intermixing at the GeTe/Sb2Te3 interface, nor the strikingly small thermal conductivity κ of CSLs. This thesis hence provides valuable results that may help to unravel the cause for the improved device performance of CSLs.$$leng
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