Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialien finden als optische Datenspeicher breite Anwendung. Sowohl wiederbeschreibbare DVDs , CD-RWs als auch Blu-ray Discs wurden erfolgreich als Massenspeicher etabliert. Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf Archivierbarkeit, optischen Kontrast, Zyklisierbarkeit und Kristallisationsgeschwindigkeit beschäftigten sich die meisten Untersuchungen an Phasenwechselmaterialien mit der Verbindung Ge2Sb2Te5. Für zukünftige Anwendungen als Massenspeicher müssen jedoch die Speicherdichte und die Datentransferrate von Phasenwechselmaterialien verbessert werden. Hierbei könnte die chemische Substitution einzelner Elemente der Phasenwechselverbindungen einen Weg ebnen, um die konkurrierenden Eigenschaften der Kristallisationsgeschwindigkeit und der Langlebigkeit hinsichtlich optischer und elektrischer Speichereigenschaften entscheidend zu verbessern.

Das Prinzip der Datenspeicher mit Phasenwechselmaterialien ist in Abb. 1 gezeigt. Für das Schreiben, Lesen und Löschen sind ein schneller Photodetektor und eine schnelle Laserdiode notwendig, deren Leistung variiert wird. Durch den auf die aktive Schicht (die Phasenwechselschicht) fokussierten Laserstrahl wird die Probe lokal (< 1 µm2) erhitzt. Beim Schreiben eines Bits wird das Material über die Schmelztemperatur (Tm) auf über ~600 °C aufgeheizt, so dass die kristalline Schicht in einem eng begrenzten Gebiet aufgeschmolzen wird. Die Schmelze wird danach so schnell abgekühlt (mit etwa 1010 Grad pro Sekunde), dass die Unordnung der Atome in der Schmelze eingefroren wird: Die Rekristallisation wird verhindert, es entsteht ein amorpher Bereich. Um die geschriebenen Daten zu lesen wird ausgenutzt, dass sich die Reflektivität der kristallinen (geordneten) und der amorphen (ungeordneten) Bereiche in diesem Material stark unterscheiden. So können die Bits ausgelesen werden, indem die Reflektivität des Laserstrahls gemessen wird. Der Kontrast, den man zwischen beiden Phasen erreichen kann, ist sehr groß. Erwärmt man den amorphen Bereich mit einem Laserstrahl mittlerer Leistung und längerer Pulsdauer über die Glasübergangstemperatur Tg, so haben die Atome genügend Energie, um sich zu ordnen. Das Auslesen der Daten kann ebenfalls über die stark unterschiedlichen Widerstände der beiden Phasen erfolgen. In diesem Fall spricht man von PCRAM Speichern. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, den Mechanismus dieser Phasenumwandlung auf atomarer Skala zu verstehen, um so Materialien herstellen zu können, welche größere Speicherdichten und hohe Datentransferraten ermöglichen.

PCM1

Abb. 1: Schematische Darstellung der Datenspeicherung mit Phasenwechselmedien.

 

Um die Materialien hinsichtlich ihrer Phasenwechseleigenschaften zu untersuchen, werden verschiedene, sich ergänzende Verfahren eingesetzt. Durch eine Kombination der Experimente können Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften gezogen werden, welche dann erlauben Konzepte für deren Verbesserung zu entwickeln.

Die stöchiometrische Zusammensetzung der Filme wird mit ICP-MS-, RBS oder EDX-Analyse bestimmt. Eine Schichtdickenbestimmung der Filme erfolgt sowohl mit einem Ellipsometer als auch mittels Röntgenreflektometrie.

Die Änderung der Kristallstrukturen von Phasenwechselmedien wird mit Röntgen-diffraktometrie untersucht, wobei sowohl ex-situ- als auch in-situ-Experimente durchgeführt werden. Mit EXAFS-Experimenten am Hasylab (DESY) wird die lokale Umgebung der Atome im amorphen und kristallinen Zustand untersucht.

Optische Eigenschaften der amorphen und kristallinen Proben werden mittels Ellipsometrie- und FourierTransformationsInfrarot (FTIR) Messungen untersucht. Mit diesen Methoden können der Brechungsindex n und der Extinktionskoeffizient k bestimmt werden.

Die Schalteigenschaften der Phasenwechselmedien werden mit einem Static Tester auf der ns-Zeitskala getestet. Dazu werden Arrays von Bits mit vorgegebener Laserleistung und Pulsdauer geschrieben. Anschließend können die so modifizierten Bereiche mit mikroskopischen Methoden untersucht werden. In PTE (Power-Time-Effekt)-Diagrammen (Abb. 2) wird die Reflektivität vor und nach einem Modifikationspuls aufgenommen. Die Reflektivitätsänderung (Effekt) kann als Funktion von Dauer und Leistung in einem PTE-Diagramm dargestellt werden. Eine Analyse der Oberfläche erfolgt mit einem AFM oder mit mikroskopischen Methoden.

 
PCM2

Abb. 2: PTE-Diagramm für die Erzeugung kristalliner Bits in einer amorphen Matrix. Im Bereich 1 sind die Laserleistungen zu niedrig und/oder die Pulsdauer zu gering, um eine Kristallisation zu erzeugen. Bei höheren Leistungen und/oder längeren Pulsen erfolgt ein Übergang in den Bereich 2, in dem die Kristallisation stattfindet. Dieses ist als grüne, gelbe und rote Bereiche dargestellt. Das Einsetzen der Kristallisation ist durch eine schwarze Linie im PTE-Diagramm zu erkennen. Mit hoher Laserleistung und langer Pulsdauer nimmt die Reflektivität ab (Bereich 3). Dies bedeutet, dass Kristallistions- und Ablationsprozesse stattgefunden haben. Der Film wird lokal vom Substrat abgelöst, es entsteht ein Loch und am Rand dieses Loches kommt es zur Kristallisation 

 

 

Die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Phasenwechselmedien erfolgen in einem von der DFG geförderten Projekt in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Prof. M. Wuttig (RWTH Aachen). In den aktuellen Arbeiten wird versucht, durch chemische Modifizierung der Phasenwechselmedien die Eigenschaften gezielt zu verändern, um z.B. die Kristallisationsgeschwindigkeit oder den optischen Kontrast zu erhöhen.

Ein Beispiel der aktuellen Forschungsarbeiten ist in Abb. 3 dargestellt. Hier wurde der Einfluss der Dotierung von Ge2Sb2Te5 mit Sn, Bi und In auf den strukturellen Phasenübergang untersucht. Deutlich ist zu erkennen, dass die Übergangstemperatur von amorph zu kristallin von Sn über Bi zu In zunimmt.

 

PCM3

Abb. 3: Schichtwiderstand in Abhängigkeit von der Temperatur für dotiertes Ge2Sb2Te5.

 

Zusätzlich kann mit diesen Substitutionen ein atomistisches Verständnis des Zusammenhanges zwischen Stöchiometrie, chemischer Bindung, Struktur und den optisch-elektronischen Eigenschaften der amorphen und kristallinen Phase für Phasenwechsellegierungen erhalten werden.

 

 

Ausgewählte Literatur:

 

 

Optische Speichermedien

W. Bensch, M. Wuttig

Chemie in unserer Zeit 201044, 92.

 

The influence of Se doping upon the phase change characteristics of GeSb2Te4

J. Tomforde, S. Buller, M. Ried, W. Bensch, D. Wamwangi, M. Heidelmann, M. Wuttig

Solid State Sci. 2009, 11.

 

Resonant bonding in crystalline phase-change materials

K. Shportko, S. Kremers, M. Woda, D. Lencer, J. Robertson, M. Wuttig

Nature Materials, 2008 , 7, 653. 


Influence of doping upon the phase change characteristics of Ge2Sb2Te5 

K. Wang , C. Steimer, D. Wamwangi, S. Ziegler, M. Wuttig, J. Tomforde, W. Bensch

Microsyst Technol. 2007, 13, 203-206.


The role of vacancies and local distortions in the design of new phase-change materials

M. Wuttig, D. Lüsebrink, D. Wamwangi, W. Welnic, M. Gilleßen, R. Dronskowski

Nature Materials 2007, 6, 122-128.

 

Understanding the phase-change mechanism of rewritable optical media

A. V. Kolobolov, P. Fons, A. I. Frenkel, A. L. Ankudinov, J. Tominaga, T. Uruga

Nature Materials 2004, 3, 703-708.


Unravelling the interplay of local structure and physical properties in phase-change materials

W. Welnic, A. Pamungkas, R. Detemple, C. Steimer, S. Blügel, M. Wuttig

Nature Materials 2006, 5, 56-62.


Ultra-high-density phase-change storage and memory

H. F. Hamann, M. O`Boyle, Y. C. Martin, M. Rooks, H. K. Wickramasinghe

Nature Materials 2006, 5, 383-387.


Single Structure Widely Distributed in a GeTe-Sb2Te3 Pseudobinary System: A Rock Salt Structure is Retained by Intrinsically Containing an Enormous Number of Vacancies within its Crystal

T. Matsunaga, R. Kojima, N. Yamada, K. Kifune, Y. Kubota, Y. Tabata, M. Takata

Inorg. Chem. 2006, 45, 2235-2241. 

 

AnsprechpartnerChristine Koch