Optische und elektrische in-situ Charakterisierung des Perkolationseffektes in Phasenwechselschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projektes war es die bei der Kristallisation chalkogenider Phasenwechselmaterialien auftretenden Perkolationsphänomene im Detail zu quantifizieren und somit ihren Einfluss auf das Schaltverhalten stöchiometrisch variierter (Ge-Te)x(Sb2Te3)y-, sowie dotierter Phasenwechselschichten zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projekts wurden daher ausführliche Messungen zum Ladungsträgertransport in den betrachteten Materialsystemen durchgeführt. Außerdem wurde die Kristallisationsdynamik unter isotropen thermischen, sowie elektrisch induzierten Schaltbedingungen im Detail untersucht. Als wichtigste Ergebnisse sind festzuhalten: 1. Der Ladungsträgertransport in der kristallinen Phase der Phasenwechselmaterialien ist thermisch aktiviert und wird maßgeblich bestimmt durch die Morphologie der kristallinen Schicht. Das bedeutet, dass die beobachteten Aktivierungsenergien auf Korngrenzbarrierenenergien zurückgeführt werden können und nicht auf die innerhalb der Körner wirksame Bandlückenenergie. Im Gegensatz zur optischen Reflektivität, die durch die Eigenschaften des Bulk- Materials bzw. der kristallinen Körner gegeben ist, wird der Ladungsträgertransport durch die Korngrenzen zwischen den Körnern dominiert. 2. Für kryogene Temperaturen von weniger als 160 K ändert sich der Ladungsträgertransportmechanismus vom bisher bekannten thermisch aktivierten Transport freier Ladungsträger durch Körner und über Korngrenzbarrieren zu einem feldabhängigen Ladungsträger-Hoppingtransport, der nahezu temperaturunabhängig ist. Als dominierender Leitungspfad für dieses Temperaturregime wurden die Korngrenzen identifiziert, die aufgrund ihrer nahezu amorphen Natur besonders viele Störstellen zum Ladungsträgertransport zur Verfügung stellen. 3. Die Temperaturabhängigkeit der kritischen Feldstärke, sowie der Schwellenfeldstärke kann mit Hilfe einer Enweiterung des Schwellenschaltmodells nach Karpov erklärt werden. 4. Für die Kristallisations- und Perkolationseigenschaften der stöchiometrisch variierten (GeTe)x(Sb2Te3)y-Schichten, sowie der dotierten Ge2Sb2Te5-Schichten konnte festgestellt werden, dass alle untersuchten Dünnschichten einen Phasenwechsel von der amorphen in die kristalline Phase zeigen und der Leitfähigkeitskontrast mindestens zwei Größenordnungen beträgt; die Kristallisationstemperaturen mit steigendem Ge-Anteil größer werden und auch Si- oder N-Dotierung zu einer Erhöhung der Kristallisationstemperaturen führt; die kristallinen Keime der untersuchten Materialien hauptsächlich lamellenförmig sind und die s-f-Charakteristik durch den WLB-Modus dominiert ist. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die heterogene Keimbildung am Interface zu den umgebenden Si02-Schichten eine dominante Rolle spielt; es beim elektrisch induzierten Phasenwechsel zur Ausbildung hochleitender kristalliner Pfade, s.g. Perkolationspfade im amorphen Phasenwechselvolumen kommt. Deren Ausbildung konnte mit Hilfe eines im Rahmen dieses Projekts entwickelten Verfahren des direkten Schreibens kristalliner Strukturen in das amorphe Phasenwechselmaterial örtlich gesteuert werden und erstmals der Mikrostrukturanalyse zugänglich gemacht werden. 5. Des Weiteren konnten mit dem entwickelten Vefahren die elektrischen Materialparameter bestimmt werden, so dass sich dieses Verfahren als low-cost Variante zur Materialcharakterisierung eignet. 6. Darüber hinaus eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung komplexer Schaltstrukturen, die den Weg zu neuartigen neurologischen Bauelementen ebnen können, die das synaptische Schalten im menschlichen Nervensystem nachempfinden. 7. Die experimentell ermittelten Daten zum Perkolationseffekt konnten in einem Simulationsalgorithmus zur Modellierung der Schaltoperationen realer Phasenwechselspeicherbauelementgeometrien implementiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 3D-Simulation based analysis of cell concepts for Phase Change RAM. Innovative Mass-Storage Technologies 2007, Enschede, NL, 2007
D.H. Kim, F. Merget, M. Först, H. Kurz
- Conduction mechanisms of amorphous and crystalline Ge2Sb2Te2 at low temperatures. Innovative Mass-Storage Technologies 2007, Enschede, NL, 2007
F. Merget, B. Berghoff, D. H. Kim, H. Kölpin, M. Först, H. Kurz
- Simulation-Based Comparison of Cell Design Concepts for Phase Change Random Access Memory. Journ. Nanosc. and Nanotech.,7, 298. 2007
D.H. Kim, F. Merget, M. Först, H. Kurz
- Three-dimensional simulation model of switching dynamics in phase change random access memory cells. J. Appl. Phys., 101, 064512, 2007
D.H. Kim, F. Merget, M. Först, H. Kurz
