Electrical transport and switching in phase change materials [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Daniel Krebs

© Daniel Krebs

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 15
• Langue: English
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Extrait

Electrical Transport and Switching
in Phase Change Materials
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker
DanielKrebs
aus Lahnstein
Berichter: Universitätsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Dr. Simone Raoux
Tag der mündlichen Prüfung: 8. März 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten
der Hochschulbibliothek online verfügbar.tomyfamilyAbstract
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 ma-
terials 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 characteris-
tic 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 transi-
tion. In fast memory applications like DRAM, threshold switching and the transient dynam-
ics 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 sev-
eral phase change materials as the active component. A very fast switching material,
Ge Sb , has been found to switch within 10ns. The pronounced differences (e.g. in crys-15 85
tallization temperature and crystallization speed) between the amorphous-as-deposited
and amorphous-as-melt-quenched phases have been studied and explained with a differ-
ience in geometry of the environment of the active area. No evidence for an intrinsic differ-
ence has been found leading to the conclusion that it is adequate to study intrinsic proper-
ties 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 ex-
perimentally 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 re-
sistance 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 fac-
ing 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.
iiKurzfassung
ÜbersetzungdesenglischenOriginaltitels: Elektrischer Transport und Schalten in Phasen-
wechsel Materialien
Phasenwechselmaterialien, in der Regel hauptsächlich aus Ge, Sb und Te Legierungen zu-
sammengesetzt, sind Materialien die sehr schnell zwischen zwei stabilen Zuständen wech-
seln können, der amorphen und kristallinen Phase. Der optische Kontrast zwischen den bei-
den stabilen Phasen führte zur Anwendung in optischen Datenspeichern wie compact disk
(CD), digital versatile disks (DVD) and Bluray™ disk. Aufgrund des starken Kontrasts zwi-
schen dem Widerstand der amorphen und der kristallinen Phase können Phasenwechsel-
materialien auch als elektronische Datenspeicher verwendet werden. Da die beiden Pha-
sen bei moderaten Temperaturen stabil sind, ist solch ein Phasenwechselspeicher nicht-
flüchtig, d.h. es muss keine Spannung anliegen, um die Informationen zu erhalten. Dar-
über hinaus sind Phasenwechselspeicher schneller als Flash und weisen eine höhere Zahl
von Wiederbeschreibzyklen und bessere Skalierbarkeit auf. Daher sind Phasenwechsel-
speicher eine der aussichtsreichsten Kandidaten für zukünftige nicht-flüchtige Speicher-
Anwendungen und könnten die Lücke schließen zwischen schnellem dynamic random ac-
cess 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 leit-
fähigen on-state. Wenn das Phasenwechselmaterial in diesem hoch leitfähigen, amorphen
on-state ist, kann ein Strom fließen, der das Material aufheizt und damit die Phasenum-
wandlung ermöglicht. In schnellen Speicher-Anwendungen wie DRAM ist threshold swit-
ching und die kurzlebige Dynamik des amorphen on-states sehr wichtig aber gegenwärtig
nicht ausreichend verstanden. Deshalb wurde in dieser Arbeit das Schaltverhalten von Pha-
senwechselmaterialien und die Dynamik der amorphen Phase untersucht.
iiiEinzelne Zellen unterschiedlicher Breite und Länge eines Phasenwechselspeichers wurden
unter Verwendung verschiedener Phasenwechselmaterialien als aktive Komponente her-
gestellt. Ein sehr schnelles Material, Ge Sb , wurde gefunden, dass innerhalb von 10ns15 85
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 Unter-
schied in der Geometrie der Umgebung des aktiven Gebiets erklärt. Für einen intrinsi-
schen Unterschied wurden keine Hinweise gefunden, weshalb es ausreichend ist intrinsi-
sche 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 expe-
rimentell untersucht und mit einem Generations-Rekombinations Model im Bandtransport
Bild verknüpft. Die Simulation konnte alle experimentell beobachteten Merkmale reprodu-
zieren, 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 durchset-
zen kann ist das Potential mehrere Bits in einer Speicherzelle zu speichern (Multi level sto-
rage). Deshalb ist es nötig, dass in einer Phasenwechselspeicherzelle verschiedene Wider-
standszustände gespeichert werden können, was durch das produzieren von unterschied-
lich 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 Speicher-
zelle von einem Zustand in den Nächsten driftet. Deshalb ist ein besseres Verständnis der
amorphen Phase unerlässlich um Widerstandsdrift zu verhindern oder zumindest zu be-
schreiben, damit in Speicherzellen dami