A. PATIL
Soutenance : 27 novembre 2023
Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes, Université de Lille, ENGSYS Sciences de l’ingénierie et des systèmes
Amphithéâtre de l’IEMN – Laboratoire central – Villeneuve d’Ascq
Résumé :
Les matériaux à changement de phase sont à la base du stockage des mémoires depuis leur application au stockage optique des données en 1987. Dans les années 2010, les mémoires à changement de phase développées étaient 1000 fois plus rapides et plus endurantes que les mémoires NAND, et 10 fois plus denses que les mémoires DRAM. Les mémoires à changement de phase basées sur des chalcogénures offrent la flexibilité d’une vitesse plus rapide, d’une plus grande endurance ou d’une meilleure stabilité thermique en fonction de la stoechiométrie. L’ingénierie des matériaux des alliages GeSbTe (GST) a permis de réaliser des stoechiométries avec une stabilité à haute température convenant aux mémoires à changement de phase (PCM) intégrées dans les applications MCU automobiles. Les alliages tels que le GeSbTe dopé riche en Ge présentent une rétention des données à haute température en raison de la température de cristallisation élevée. Dans les PCM, la commutation réversible entre les phases est initiée thermiquement. Les études indiquent que moins de 1 % de l’énergie est utilisée pour le changement de phase, alors que la plus grande partie de l’énergie est perdue par d’autres voies de dissipation de la chaleur dans la cellule PCM. La connaissance des propriétés thermiques de ces matériaux sur l’ensemble de la plage de température de fonctionnement de la cellule PCM est donc cruciale pour un meilleur fonctionnement de la mémoire. L’alliage phare GST-225 a été largement caractérisé, mais l’état actuel des connaissances ne permet pas de caractériser thermiquement les stoechiométries nouvellement conçues. Des méthodes telles que 3ω, la thermo-réflectance et la radiométrie photo-thermique ont été mises en oeuvre pour la caractérisation thermique des GST. Ces outils présentent certains inconvénients, tels que la microfabrication supplémentaire d’éléments chauffants ou de transducteurs, des coûts d’installation élevés ou un post-traitement complexe des données. La thermométrie Raman est une technique de caractérisation optique qui ne nécessite pas de microfabrication et peut offrir l’avantage d’une étude structurelle simultanée. Dans ce travail, nous avons étudié des particules comme le GeTe, le GeSbTe riche en Ge et le GeSbTe riche en N dopé à l’aide de la thermométrie Raman. Cela a été possible en étudiant l’évolution de la température des modes vibrationnels présents dans les alliages à base de GeSbTe. Nous démontrons pour la première fois l’extraction réussie des propriétés thermiques dépendantes de la température et de la phase de ces matériaux à des températures plus élevées (~350°C) par thermométrie Raman. L’augmentation de la teneur en Ge et le dopage N supplémentaire ont diminué la conductivité thermique, ce qui est bénéfique pour l’efficacité de la PCM. La principale contribution à la conductivité thermique provient des phonons, la contribution électronique étant négligeable. Ces résultats permettent de mieux comprendre le comportement de ces matériaux à des températures plus élevées et l’effet de la teneur en azote Ces résultats prouvent que la thermométrie Raman est une technique de caractérisation thermique et structurelle riche, quantitative et fiable pour les matériaux à changement de phase.
Abstract :
Phase change materials have been the basis of memory storage since their application to optical data storage in 1987. In the 2010s, phase change memories developed were 1000 times faster and more durable than NAND memories, and 10 times denser than DRAM memories. Phase-change memories based on chalcogenides offer the flexibility of faster speed, greater endurance or better thermal stability depending on the stoichiometry. Materials engineering of GeSbTe (GST) alloys has enabled stoichiometries with high temperature stability suitable for phase change memories (PCMs) embedded in automotive MCU applications. Alloys such as Ge-rich doped GeSbTe exhibit high temperature data retention due to the high crystallisation temperature. In PCMs, reversible switching between phases is thermally initiated. Studies indicate that less than 1% of the energy is used for the phase change, while most of the energy is lost through other heat dissipation pathways in the PCM cell. Knowledge of the thermal properties of these materials over the entire operating temperature range of the PCM cell is therefore crucial to improving memory performance. The flagship GST-225 alloy has been extensively characterised, but the current state of knowledge does not allow newly designed stoichiometries to be thermally characterised. Methods such as 3ω, thermo-reflectance and photo-thermal radiometry have been used for the thermal characterisation of GST. These tools have certain drawbacks, such as the additional microfabrication of heating elements or transducers, high installation costs or complex data post-processing. Raman thermometry is an optical characterisation technique that does not require microfabrication and can offer the advantage of a simultaneous structural study. In this work, we studied particles such as GeTe, Ge-rich GeSbTe and N-doped GeSbTe using Raman thermometry. This was made possible by studying the temperature evolution of the vibrational modes present in GeSbTe-based alloys. We demonstrate for the first time the successful extraction of the temperature- and phase-dependent thermal properties of these materials at higher temperatures (~350°C) using Raman thermometry. The increased Ge content and additional N doping decreased the thermal conductivity, which is beneficial for PCM efficiency. The main contribution to thermal conductivity comes from phonons, with the electronic contribution being negligible. These results provide a better understanding of the behaviour of these materials at higher temperatures and the effect of nitrogen content. They demonstrate that Raman thermometry is a rich, quantitative and reliable thermal and structural characterisation technique for phase change materials.