Structure and growth characterization of biaxially textured PCM thin films and heterostructures

Pohlmann, Marc; Mayer, Joachim; Wuttig, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2020-11075

Structure and growth characterization of biaxially textured PCM thin films and heterostructures

Pohlmann, Marc^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Pohlmann, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (158 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-11075
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/807048/files/807048.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
crystal-structure characterizetion (frei) ; phase-change materials (frei) ; superlattices (frei) ; thin films (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Chalkogenid-basierte Phasenwechselmaterialien haben im Verlauf der letzten Jahrzehntezunehmend an Relevanz im Bereich der elektronischen Datenspeicher gewonnen. Die Speichertechnologien, welche zu Beginn den Markt der optischen, sequentiellen Speichermediendominiert haben, beginnen nun langsam auch im Bereich der elektrischen, parallelen Speicher Fuß zu greifen. Dies zeigt sich jüngst mit der Markteinführung des Intel Optane Speichers. Während die industrielle Entwicklung weiter voranschreitet, gewinnt auch die Grundlagenforschung an diesen Materialien mehr und mehr an Interesse. Um den Eigenschaftskontrast zwischen der amorphen und kristallinen Phase zu erklären, welcher für den Speichervorgang verwendet wird, hat die Forschung sich der Fragestellung angenommen, inwiefern sich die chemische Bindung in diesen Phasen unterscheidet. Es wurde dabei unter anderem herausgefunden, dass Phasenwechselmaterialien in sehr dünnen Filmen eine Veränderung der Struktur aufweisen, welche sich nichtdurch das übliche Bild der kovalenten Bindung erklären lässt. Die Entdeckung dieser Effekte fördert allerdings nur weiter den Bedarf nach Antworten. Um allerdings solche Dünnfilmeffekte untersuchen zu können, ist es zu allererst einmal nötig, sie herstellen zu können. Daher wird in dieser Arbeit das Wachstum verschiedener Phasenwechselmaterialienmittels Molekularstrahlepitaxie untersucht. Mit dem Ziel, hoch texturierte Dünnfilme und Heterostrukturen herzustellen, wurde das Wachstum von SnTe, GeTeund Sb2Te3 auf verschiedenen Si-Oberflächen untersucht. Um das Wachstum dieser Verbindungen zu untersuchen wurden 7x7-rekonstruierte, sowie Sb-passivierte Si (1 1 1) Substrate verwendet. Durch eine Veränderung des Wachstumsmodus und der resultierenden biaxialen Textur, können diese Substrate verwendet werden um die Eigenschaften eines Dünnfilms zu verändern. In dieser Arbeit wird zu Beginn eine Studie des Wachstums von Sb2Te3 auf diesen Oberflächen gezeigt. Diese Beschreibt den Einfluss der verschiedenen Substrate auf das Keimbildungsstadium des Wachstums und liefert einen guten Vergleich zu anderen Arbeiten, die das Wachstum von Phasenwechselmaterialien untersucht haben. Danach wird das Wachstum von SnTe beschrieben, welches in kubischer Textur auf dem trigonalen Substrat wächst. Vergleichend zum Sb2Te3 wird die Keimbildung beschrieben. Danach wird anhand von Röntgendiffraktometrie Messungen die Textur beschrieben. Zuletzt wird ein Modell präsentiert, welches in der Lage ist die epitaktische Beziehung der unvereinbaren Symmetrien von Film und Substrat zu beschreiben. Für das Wachstum von GeTe werden zwei verschiedene Beispiele anhand der beiden Substrate vorgestellt. Auf dem Sb-terminierten Substrat wird durch eine starke Unterdrückung der Zwillingsdomäne die Messung misorientierter Verzerrungen ermöglicht. Auf der 7x7-rekonstruierten Oberfläche wird eine Studie an Dünnfilmen präsentiert. Es wird gezeigt dass diese Filme präzise mit Schichtdicken von 4 bis 15nm gewachsen werden können und dass die Gitterkonstante und Raman Moden einem Schichtdicken abhängigen Trend unterliegen welcher nicht dem üblichen Verhalten einer Kovalenten Bindungen entspricht. Außerdem wird anhand des Wachstums auf der 7x7-Rekonstruktion auch die Anwendbarkeit des Modells diskutiert, das für SnTe eingeführt wurde. Dann wird eine kurze Studie zur Phasenausbildung einer Ge-Sb-Te Schicht berichtet. Diese wird auch als Beispiel dazu verwendet, die Limitierungen der Stöchiometriemessung via Energie dispersiver Röntgen Analyse aufzuzeigen. Hierzu wird die Struktur der Dünnfilme, die direkt von der Stöchiometrie abhängt, als Vergleichswert verwendet. Im letzten Teil dieser Arbeit, wird die Herstellung und Analyse von Superlattice Strukturen diskutiert. Nachdem gezeigt wurde, dass die verschiedenen Materialien sehr guttexturiert gewachsen werden können, werden diese als Seeds für Heterostrukturen verwendet. Im Laufe dieses Kapitels wird die Auswertung von Röntgendiffraktometrie Messungen diskutiert und die Ergebnisse mittels Transmissions-Elektronen-Mikroskopieverifiziert. Die Stress-Verteilung innerhalb der Heterostrukturen wird anhand von Reflection High-Energy Electron Diffraction nachverflogt und mit Hilfe eines Federmodells beschrieben. Dieses Federmodell wird wiederum verwendet, um eine Simulation der Röntgen-Daten zu verbessern. In diesem Sinne werden zunächst SnTe- Sb2Te3-Superlattices diskutiert. Verschiedene Dickenverhältnisse von SnTe und Sb2Te3 werden präsentiert und die erreichbare Qualität der Lagensymmetrie diskutiert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird dann das System der SnTe-GeTe-Superlattices eingeführt. Da in diesem System keines der Materialieneine Van-der-Waals-ähnliche Struktur besitzt, ändert sich auch das Wachstumsverhalten stark. Es wird gezeigt, dass diese Heterostrukturen wesentlich anfälliger für eine Durchmischung der Lagen sind, dass es aber möglich ist, sie herzustellen. Da SnTe und GeTe in verschiedener Textur auf den Si-Substraten wachsen, kann darüber hinausgezeigt werden, dass die Superlattices diese Textur übernehmen. Dies erlaubt die Herstellung verschieden texturierte Superlattices mit denselben Materialien auf gleichen Substraten, indem man lediglich den Seed-layer wechselt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Feder-Modell zur Beschreibung der In-plane Gitterkonstanten für dieses System nicht funktioniert. Die Gründe für dieses Versagen werden diskutiert und ein auf der Grenzflächenrauigkeit basierender Lösungsansatz präsentiert.

Chalcogenide-based phase-change materials have been experiencing a trend of increasing importance as data storage media within the past decades. Starting from optical, sequential data storage media, the step towards parallel, electrical storage has been achieved recently with the Intel Obtane memory. While these industrial applications are further improved, the fundamental research on PCMs is gaining more and more attention. In order to understand the strong property contrast between amorphous andcrystalline phases of PCMs these compounds have been investigated intensively. Someof those investigations led to the observation that PCMs might exhibit odd effects upon strong confinement. Some works were already able to show effects like spontaneous crystallization of thin films. However, a lot of questions remain and demand the capabilities to fabricate highly textured thin film structures in order to be answered. Hence, in the frame of this work the structure of different PCMs grown via molecular beam epitaxy (MBE) was investigated. With the goal of depositing thin films and hetero structures, the growth of SnTe, GeTe and Sb2Te3 on different Si surfaces was compared. The growth of binary compounds on 7x7-reconstructed as well as Sb-passivated Si (1 1 1)substrates was compared. These two surfaces offer different achievable thin film properties by changing the growth mode and biaxial texture of the films. Thereby, the growth of binary compounds was investigated in order to employ them as seed layers for the heterostructures. Investigations of Sb2Te3 are presented to characterize the growth on the different surfaces and enable a good comparison of this work with other related publications. The seeding process is observed via scanning electron microscopy in order to understand how the texture formation differs on the surfaces. The incommensurate growth of SnTe (0 0 1) on the trigonal Si substrate surface is investigated. In direct comparison to Sb2Te3, the seeding on different substrates is investigated via scanning electron microscopy. The resulting films are characterized via X-ray diffraction(XRD) studies. Finally, a model is proposed which can explain how the epitaxial relation between the incommensurate symmetries of substrate and film can still resultin a superior biaxial texture. The growth of GeTe on Sb-passivated substrates is reported with a strong degree of twin domain suppression. The suppression is sufficient to observe the misalignment of distortion domains via reciprocal space maps without overlapping reflections from otherrotational domains. Also a growth series is presented, in which GeTe thin films aredeposited on 7x7-reconstructed Si. The GeTe layers are grown with a thickness of 4 to15 nm. XRD studies and Raman measurements are employed to characterize the thickness dependent structural change of GeTe and show how this change does not relate to strain, but to a confinement induced change of the chemical bonding. Then, the in-planetexture of this material is also compared to the model that was introduced for SnTe, inorder to confirm its applicability to other systems. A growth study of Ge-Sb-Te compounds is shown, in which the continuous transition from a cubic to a trigonal structure is shown. Also, on the example of this compound, abrief report of the accuracy of stoichiometry determination via energy dispersive X-raydetection is given. After characterizing the growth of binary structures and proving that they can be deposited highly textured, these are employed as seeds for different superlattices. In this part of the work, the analysis of XRD measurements of heterostructures is described.The results are compared with transmission electron microscopy. The strain developmentwithin these superlattices is described by fitting reflection high-energy electrondiffraction measurements with a spring model. The resulting strain model is then implemented for XRD simulations. Thereby, the in-situ and ex-situ measurements arecompared and the XRD simulation is improved.This procedure is performed to describe the structure of different SnTe-Sb2Te3-superlattices.The growth of different thickness ratios of the two layers is compared in regard to the achievable out-of-plane texture. These results are then compared with the fundamentally different system of the SnTe-GeTe-superlattices. Due to the structural difference that no Van-der-Waals-like layers are present in either SnTe or GeTe, as opposed toSb2Te3, these heterostructures show very different growth conditions. Via XRD and RHEED, these structures are compared with the Sb2Te3-containing superlattices. It is shown that the absence of Sb2Te3 renders intermixing much easier, thereby lowering thehighest possible deposition temperature that is still sufficient to avoid intermixing. However,the successful deposition of superlattices was achieved. Due to the different texture formation of GeTe and SnTe on Si (1 1 1) surfaces, it was possible to also switch the texture of the superlattice by switching only the seed layer. Also, the spring model that was applied for Sb2Te3-containing superlattices fails for these structures. The reasons for this failure are discussed and a roughness-based calculation of the in-plane lattice constant is presented which is much more capable of describing the measured trends.

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