Elektronen in de val. Defecte materialen voor een nieuw soort computergeheugen.
In de toekomst meer betalen voor een computer die trager werkt? Als we dat willen voorkomen, hebben we nieuwe manieren nodig om onze data op te slaan en te verwerken. In dit onderzoek worden twee materialen onderzocht die een belangrijke rol spelen bij de zoektocht naar een nieuw type computergeheugen. Met een zelfgebouwde opstelling wordt het elektrisch gedrag van deze materialen onderzocht op temperaturen tussen -170°C en 100°C om zo de mechanismen aan het licht te brengen die deze materialen zo uniek inzetbaar maken in computers van de toekomst.
Als U recent een computer heeft gekocht, is het U misschien opgevallen dat deze naast een harde schijf ook een Solid State Drive (SSD) bevat. Veel nieuwere laptops hebben zelfs enkel een SSD. Deze apparaten maken gebruik van Flash technologie en zijn dus in principe zeer grote USB-sticks. Een SSD is iets duurder, maar werkt sneller dan een klassieke harde schijf omdat elke plaats in het hele geheugen even snel kan worden aangesproken, zonder dat er bewegende delen aan te pas komen. De toekomst van deze apparaten ziet er echter niet zo rooskleuring uit. Doordat we steeds meer vragen van onze PC’s, hebben we ook meer opslagcapaciteit nodig. Flash technologie kan deze vraag binnenkort niet meer beantwoorden zonder in te boeten aan snelheid. Daarom wordt er volop gezocht naar nieuwe concepten die Flash kunnen vervangen.
Phase Change Memory
Phase Change Memory (PCM) is een veelbelovend alternatief dat al in beperkte mate beschikbaar is. Deze technologie maakt gebruik van een speciaal soort materiaal dat zich in twee verschillende fasen kan bevinden, kristallijn of amorf. De elektrische weerstand hangt af van de fase waarin het materiaal zich bevindt. PCM geheugencellen bevatten een dun laagje van dit soort materiaal, data wordt opgeslagen door een deel van dit laagje in de gewenste fase te brengen. Het uitlezen van de cel gaat zeer gemakkelijk door te meten hoe goed het elektriciteit geleidt. Een PCM component heeft een zeer simpele vorm en is makkelijk te fabriceren. Dit maakt het ideaal voor gebruik in een 3D structuur, waar verschillende geheugencellen boven en naast elkaar worden gestapeld op nanometerschaal. In deze structuur bevinden deze cellen zich zeer dicht bij elkaar, wat kan leiden tot problemen tijden het schrijven en lezen. Om dit te voorkomen is een tweede component essentiëel bij het gebruik van deze zeer efficiënte structuur: “de selector”.
Twee Prototype Materialen
Een selector is een component dat in principe werkt als een schakelaar die reageert op de aangelegde spanning. Overschrijdt de spanning een zekere drempelspanning, dan wordt de schakelaar omgezet en kan er stroom vloeien doorheen het component. Selectoren kunnen worden gemaakt op verschillende manieren, maar één type selector lijkt ideaal voor het gebruik in combinatie met PCM. Er bestaat namelijk een set materialen die exact dit gedrag vertonen, dit worden Ovonic Threshold Switching (OTS) materialen genoemd. OTS materialen kunnen simpelweg als een dunne laag toegevoegd worden aan een PCM cel, zo wordt de simpele structuur behouden. Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor dit vreemde gedrag is op dit moment nog niet volledig gekend. In dit onderzoek bekijken we het gedrag van twee prototypische OTS materialen: GeSe en GeSe2. Door het mechanisme in deze materialen beter te begrijpen, wordt het makkelijker om nieuwe materialen te maken met gefinetunede eigenschappen.
Gekoelde Metingen
Een eerste stap in het onderzoek naar het schakelend gedrag is het achterhalen op welke manier elektriciteit vloeit doorheen deze OTS materialen. Hier bestaan namelijk verschillende mechanismes voor, afhankelijk van het type materiaal. De beste manier om dit te achterhalen is door een klein stukje van het materiaal elektrisch uit te meten op verschillende temperaturen. Hiervoor werd een speciale opstelling gebouwd die tussen -170°C en 100°C de elektrische stroom doorheen een materiaal kan opmeten. Dunne lagen met verschillende diktes van beide materialen worden afgezet op een testsubstraat en in deze opstelling geplaatst. Met stappen van 10°C wordt de temperatuur verlaagd en de stroom doorheen het sample gemeten. Om te voorkomen dat bij de lage temperaturen er een dikke laag ijs vormt, wordt dit alles uitgevoerd in een vacuümkamer.
Gevangen Elektronen
De elektrische geleiding in deze OTS materialen gebeurt via traps, dit zijn een soort vallen waar een elektron in vast komt te zitten. Deze vallen ontstaan als een gevolg van defecten, imperfecties in de structuur van het materiaal. Een elektron dat werd gevangen, kan pas ontsnappen als het genoeg energie heeft om uit de put te springen. Er wordt een stroom gemeten omdat elektronen met genoeg energie van val naar val kunnen springen, dit wordt Poole-Frenkel geleiding genoemd. Bij een hogere spanning en een hogere temperatuur ontsnappen elektronen makkelijker omdat de val dan minder diep lijkt of het elektron hoger kan springen. Door op verschillende temperaturen te meten hoe makkelijk de elektronen kunnen ontsnappen, kan worden berekend hoe diep de elektronvallen eigenlijk zijn. Vallen in de twee materialen liggen op verschillende dieptes, deze eigenschap is dus materiaalafhankelijk. Toch is deze diepte niet constant. Wanneer we samples vergelijken die nog nooit hebben geschakeld met samples die dat wel hebben gedaan, merken we iets vreemds. In de verse, niet-geschakelde samples liggen de vallen een stuk dieper dan in de samples die al een aantal keer hebben geschakeld. Dit betekent dat deze vallen een cruciale rol spelen in het schakelend gedrag van deze OTS materialen. Hiermee worden eerdere theoretische voorspellingen bevestigd. Tijdens het schakelen verandert de verdeling van de traps zodat er meer stroom kan worden doorgelaten. Om de eigenschappen van nieuwe OTS materialen te kunnen tunen, is het zeer belangrijk om de hoeveelheid en de diepte van de vallen te controleren. De ideale selector is dus geen perfect materiaal, maar een materiaal dat precies de juiste hoeveelheid defecten bevat.
Bibliografie
Analog Devices. LTspice. Versie 17.0.18.0. url: https://www.analog.com/en/design-center/designtools-
and-calculators/ltspice-simulator.html.
[2] Naga Sruti Avasarala e.a. „Doped GeSe materials for selector applications”. eng. In: 2017 47th European
solid-state device research conference (ESSDERC). Leuven, Belgium: IEEE, 2017, p. 168–171. isbn:
9781509059782.
[3] Naga Sruti Avasarala e.a. „Half-threshold bias Ioff reduction down to nA range of thermally and electrically
stable high-performance integrated OTS selector, obtained by Se enrichment and N-doping of thin GeSe
layers”. In: 2018 IEEE Symposium on VLSI Technology. 2018, p. 209–210. doi: 10.1109/VLSIT.2018.
8510680.
[4] R. Bez e.a. „Introduction to flash memory”. In: Proceedings of the IEEE 91.4 (2003), p. 489–502. doi:
10.1109/JPROC.2003.811702.
[5] Geoffrey W. Burr e.a. „Access devices for 3D crosspoint memory”. In: Journal of Vacuum Science &
Technology B 32.4 (2014), p. 040802. doi: 10.1116/1.4889999. eprint: https://doi.org/10.1116/1.
4889999. url: https://doi.org/10.1116/1.4889999.
[6] Geoffrey W. Burr e.a. „Neuromorphic computing using non-volatile memory”. In: Advances in Physics:
X 2.1 (2017), p. 89–124. doi: 10.1080/23746149.2016.1259585. eprint: https://doi.org/10.1080/
23746149.2016.1259585. url: https://doi.org/10.1080/23746149.2016.1259585.
[7] Zheng Chai e.a. „Dependence of Switching Probability on Operation Conditions in GexSe1–x Ovonic
Threshold Switching Selectors”. In: IEEE Electron Device Letters 40.8 (2019), p. 1269–1272. doi: 10.
1109/LED.2019.2924270.
[8] Zheng Chai e.a. „Stochastic Computing Based on Volatile GeSe Ovonic Threshold Switching Selectors”.
In: IEEE Electron Device Letters 41.10 (2020), p. 1496–1499. doi: 10.1109/LED.2020.3017095.
[9] Fu-Chien Chiu. „A Review on Conduction Mechanisms in Dielectric Films”. In: Advances in Materials
Science and Engineering 2014 (feb 2014), p. 578168. issn: 1687-8434. doi: 10.1155/2014/578168. url:
https://doi.org/10.1155/2014/578168.
[10] S. Clima e.a. „Atomistic investigation of the electronic structure, thermal properties and conduction
defects in Ge-rich GexSe1-x materials for selector applications”. In: 2017 IEEE International Electron
Devices Meeting (IEDM). 2017, p. 4.1.1–4.1.4. doi: 10.1109/IEDM.2017.8268323.
[11] Peter Jonathan Eaton en Paul West. Atomic Force Microscopy. Oxford University Press, 2019.
[12] Paolo Fantini. „Phase change memory applications: the history, the present and the future”. In: Journal
of Physics D: Applied Physics 53.28 (mei 2020), p. 283002. doi: 10.1088/1361- 6463/ab83ba. url:
https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab83ba.
[13] D. Frohman-Bentchkowsky. „MEMORY BEHAVIOR IN A FLOATING-GATE AVALANCHE-INJECTION
MOS (FAMOS) STRUCTURE”. In: Applied Physics Letters 18.8 (1971), p. 332–334. doi: 10.1063/1.
1653685. eprint: https://doi.org/10.1063/1.1653685. url: https://doi.org/10.1063/1.1653685.
[14] B. Govoreanu e.a. „Thermally stable integrated Se-based OTS selectors with >20 MA/cm2 current drive,
>3.103 half-bias nonlinearity, tunable threshold voltage and excellent endurance”. In: 2017 Symposium on
VLSI Technology. 2017, T92–T93. doi: 10.23919/VLSIT.2017.7998207.
[15] Mark T. Greiner e.a. „Universal energy-level alignment of molecules on metal oxides”. In: Nature Materials
11.1 (jan 2012), p. 76–81. issn: 1476-4660. doi: 10.1038/nmat3159. url: https://doi.org/10.1038/
nmat3159.
[16] Laura M. Grupp, John Davis en Steven Swanson. „The Bleak Future of NAND Flash Memory”. In: 10th
USENIX Conference on File and Storage Technologies. This is the final revision of the paper. There are
two more earlier revisions available. The first revision used teh incorrect value for the baseline SSD. The
second revision and third revision are indentical, except for where the revision statemtn is. USENIX, feb
2012. url: https://www.microsoft.com/en- us/research/publication/the- bleak- future- ofnand-
flash-memory/.
[17] Wikimedia Commons User Hydrargyrum. Bragg diffraction. Licensed under Creative Commons Attribution-
Share Alike 3.0 Unported license. 2011. url: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bragg_
diffraction_2.svg.
[18] Daniele Ielmini en Yuegang Zhang. „Analytical model for subthreshold conduction and threshold switching
in chalcogenide-based memory devices”. In: Journal of Applied Physics 102.5 (2007), p. 054517. doi:
10.1063/1.2773688. eprint: https://doi.org/10.1063/1.2773688. url: https://doi.org/10.1063/
1.2773688.
[19] Stefan Ilic e.a. „Floating-Gate MOS Transistor with Dynamic Biasing as a Radiation Sensor”. In: Sensors
20.11 (2020). issn: 1424-8220. doi: 10.3390/s20113329. url: https://www.mdpi.com/1424-8220/20/
11/3329.
[20] S. Kabuyanagi e.a. „Understanding of Tunable Selector Performance in Si-Ge-As-Se OTS Devices by
Extended Percolation Cluster Model Considering Operation Scheme and Material Design”. In: 2020 IEEE
Symposium on VLSI Technology. 2020, p. 1–2. doi: 10.1109/VLSITechnology18217.2020.9265011.
[21] Sungho Kim, Hee-Dong Kim en Sung-Jin Choi. „Numerical study of read scheme in one-selector oneresistor
crossbar array”. In: Solid-State Electronics 114 (2015), p. 80–86. issn: 0038-1101. doi: https:
//doi.org/10.1016/j.sse.2015.08.001. url: https://www.sciencedirect.com/science/article/
pii/S0038110115002294.
[22] V.N. Kynett e.a. „An in-system reprogrammable 32 K*8 CMOS flash memory”. In: IEEE Journal of
Solid-State Circuits 23.5 (1988), p. 1157–1163. doi: 10.1109/4.5938.
[23] Donald M. Mattox. „9 - Atomistic Film Growth and Some Growth-Related Film Properties”. In: Handbook
of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. Red. door Donald M. Mattox. Westwood, NJ: William
Andrew Publishing, 1998, p. 472–568. isbn: 978-0-8155-1422-0. doi: https : / / doi . org / 10 . 1016 /
B978 - 081551422 - 0 . 50010 - 3. url: https : / / www . sciencedirect . com / science / article / pii /
B9780815514220500103.
[24] „Metal-Semiconductor Contacts”. In: Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, Ltd, 2006,
p. 134–196. isbn: 9780470068328. doi: https://doi.org/10.1002/9780470068328.ch3. eprint: https:
//www.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/9780470068328.ch3. url: https://www.
onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9780470068328.ch3.
[25] G. Molas e.a. „Degradation of floating-gate memory reliability by few electron phenomena”. In: IEEE
Transactions on Electron Devices 53.10 (2006), p. 2610–2619. doi: 10.1109/TED.2006.882284.
[26] H. Okamoto. „Ge-Se (germanium-selenium)”. In: Journal of Phase Equilibria 21.3 (mei 2000), p. 313. issn:
1054-9714. doi: 10.1361/105497100770340129. url: https://doi.org/10.1361/105497100770340129.
[27] Stanford R. Ovshinsky. „Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures”. In: Phys.
Rev. Lett. 21 (20 nov 1968), p. 1450–1453. doi: 10.1103/PhysRevLett.21.1450. url: https://link.
aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.21.1450.
[28] Paul R. Gray e.a. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits. John Wiley & Sons, Inc., 2009.
[29] Jean-Yves Raty en Pierre Noé. „Ovonic Threshold Switching in Se-Rich GexSe1-x Glasses from an Atomistic
Point of View: The Crucial Role of the Metavalent Bonding Mechanism”. In: physica status solidi (RRL)
– Rapid Research Letters 14.5 (2020), p. 1900581. doi: https://doi.org/10.1002/pssr.201900581.
eprint: https : / / onlinelibrary . wiley . com / doi / pdf / 10 . 1002 / pssr . 201900581. url: https :
//onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pssr.201900581.
[30] Ludwig Reimer. „Introduction”. In: Scanning Electron Microscopy: Physics of Image Formation and Microanalysis.
Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1985, p. 1–12. isbn: 978-3-662-13562-4. doi:
10.1007/978-3-662-13562-4_1. url: https://doi.org/10.1007/978-3-662-13562-4_1.
[31] Juhee Seo e.a. „A study on the interface between an amorphous chalcogenide and the electrode: Effect
of the electrode on the characteristics of the Ovonic Threshold Switch (OTS)”. In: Journal of Alloys and
Compounds 691 (2017), p. 880–883. issn: 0925-8388. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.
08.237. url: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838816326354.
[32] Daisuke Shindo en Tetsuo Oikawa. „Energy Dispersive X-ray Spectroscopy”. In: Analytical Electron Microscopy
for Materials Science. Tokyo: Springer Japan, 2002, p. 81–102. isbn: 978-4-431-66988-3. doi:
10.1007/978-4-431-66988-3_4. url: https://doi.org/10.1007/978-4-431-66988-3_4.
[33] M. Soylu en B. Abay. „Barrier characteristics of gold Schottky contacts on moderately doped n-InP based
on temperature dependent I–V and C–V measurements”. In: Microelectronic Engineering 86.1 (2009),
p. 88–95. issn: 0167-9317. doi: https : / / doi . org / 10 . 1016 / j . mee . 2008 . 09 . 045. url: https :
//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931708004395.
[34] David E. Stillman, Joseph A. MacGregor en Robert E. Grimm. „The role of acids in electrical conduction
through ice”. In: Journal of Geophysical Research: Earth Surface 118.1 (2013), p. 1–16. doi: https://doi.
org/10.1029/2012JF002603. eprint: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/
2012JF002603. url: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2012JF002603.
[35] S Swann. „Magnetron sputtering”. In: Physics in Technology 19.2 (mrt 1988), p. 67–75. doi: 10.1088/
0305-4624/19/2/304. url: https://doi.org/10.1088/0305-4624/19/2/304.
[36] B. D. H. TELLEGEN. „Stability of negative resistances†”. In: International Journal of Electronics 32.6
(1972), p. 681–686. doi: 10.1080/00207217208938331. eprint: https://doi.org/10.1080/00207217208938331.
url: https://doi.org/10.1080/00207217208938331.
[37] Anthonin Verdy e.a. „Improved Electrical Performance Thanks to Sb and N Doping in Se-Rich GeSe-
Based OTS Selector Devices”. In: 2017 IEEE International Memory Workshop (IMW). 2017, p. 1–4. doi:
10.1109/IMW.2017.7939088.
[38] Pascal O Vontobel e.a. „Writing to and reading from a nano-scale crossbar memory based on memristors”.
In: Nanotechnology 20.42 (sep 2009), p. 425204. doi: 10.1088/0957-4484/20/42/425204. url: https:
//doi.org/10.1088/0957-4484/20/42/425204.
[39] M. A Yeganeh en S. H Rahmatollahpur. „Barrier height and ideality factor dependency on identically
produced small Au/p-Si Schottky barrier diodes”. In: Journal of Semiconductors 31.7 (jul 2010), p. 074001.
doi: 10.1088/1674-4926/31/7/074001. url: https://doi.org/10.1088/1674-4926/31/7/074001.
[40] Min Zhu, Kun Ren en Zhitang Song. „Ovonic threshold switching selectors for three-dimensional stackable
phase-change memory”. In: MRS Bulletin 44.9 (sep 2019), p. 715–720. issn: 1938-1425. doi: 10.1557/
mrs.2019.206. url: https://doi.org/10.1557/mrs.2019.206.
