Presented at the 3rd International Symposium on Innovative Approaches in Scientific Studies (Engineering and Natural Sciences) (ISAS2019-ENS), Ankara, Turkey, Apr 19, 2019

SETSCI Conference Proceedings, 2019, 4, Page (s): 404-407 , https://doi.org/

Published Date: 01 June 2019    | 842     11

Faz değişimli malzemeler, kristal yapıları sıcaklığa bağlı olarak değişen, kristal ve amorf fazlarında elektriksel ve optik
özelliklerinde büyük farklılıklar gösteren malzemelerdir. Günümüzde, başta Flash ve DRAM hafıza teknolojilerine alternatif
olarak görülen faz değişimli hafıza aygıtları (Phase Change Memory: PCM) olmak üzere, CD-RW, DVD-RW, Blu-Ray gibi
optik depolama aygıtları, ekran, sensor, RF uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu malzemeler kristal fazında
düşük elektriksel direnç ve yüksek optik yansıtma, amorf fazında ise yüksek elektriksel direnç ve düşük optik yansıtma özelliği
göstermektedir. Uygulanan kısa süreli (nanosaniye seviyesinde) elektriksel sinyaller ile ya da optik olarak lazer darbeleri ile iki
yönlü faz geçişi sağlanabilmektedir. Bu malzemelerin karakterizasyonunda kullanılan hızlı lazer ölçüm teknikleri malzemenin
optik özelliklerini açığa çıkarıp elektriksel özelliklerini ölçememektedir. Ayrıca bu ölçümler aygıt büyüklüklerine nazaran çok
daha büyük yüzeyler gerektirmektedir (~500 nm). Malzeme özelliklerinin faza göre değişkenlik göstermesi, yüksek hız ve
yüksek operasyon sıcaklığı bu malzemelerin elektriksel karakterizasyonunu diğer katı hal elektronik malzemelerine göre
zorlaştırmaktadır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan elektriksel ölçüm teknikleri ise bu aygıtların operasyon hızına göre çok
yavaş kalmakta ve operasyon esnasındaki yarı kararlı (metastable) durumdaki sıcaklığa bağlı elektriksel özelliklerini
belirleyememektedir. Bu çalışmada faz değişimli malzemelerin kristal-amorf-kristal faz geçişleri esnasındaki sıcaklığa bağlı
elektriksel özelliklerinin belirlenmesi ve kristalleşme süreçlerinin izlenmesi için yüksek hızlı ölçüm tekniği geliştirilmiştir. Bu
çalışmayla yaygın olarak kullanılan yavaş elektriksel ölçüm tekniklerinden elde edilen sonuçlara kıyasla, yüksek hızlı
uygulamalardaki çalışma koşullarına yakın bir ortam sağlanarak malzemenin daha gerçekçi elektriksel özellikleri belirlenmiştir.
Ayrıca elektriksel özelliklerin zamanla değişimi izlenerek malzemenin kristalleşme süreci, direncin zamanla kayması gibi
konularda etkin elektriksel iletim mekanizmaları hakkında yaklaşımda bulunulmuştur.  

Keywords - faz değişimli malzemeler; elektriksel karakterizasyon; kristalizasyon; direnç kayması; elektriksel iletim mekanizması.

[1] S. Raoux, M. Wuttig and L. v. Pieterson, Phase Change Materials: Science and Applications. Springer Verlag, 2008.

[2] H. P. Wong, S. Raoux, S. B. Kim, J. Liang, J. P. Reifenberg, B. Rajendran, M. Asheghi and K. E. Goodson, "Phase Change Memory," Proc. IEEE, vol. 98, pp. 2201-2227, 2010.

[3] M. Wuttig and N. Yamada, "Phase-change materials for rewriteable data storage," Nat. Mater., vol. 6, pp. 824-832, 2007.

[4] D. Lencer, M. Salinga and M. Wuttig, "Design Rules for Phase‐Change Materials in Data Storage Applications," Adv. Mater., 2011.

[5] R. Simpson, P. Fons, A. Kolobov, T. Fukaya, M. Krbal, T. Yagi and J. Tominaga, "Interfacial phase-change memory," Nat. Nanotechnol., vol. 6, pp. 501-505, 2011.

[6] T. Siegrist, P. Jost, H. Volker, M. Woda, P. Merkelbach, C. Schlockermann and M. Wuttig, "Disorder-induced localization in crystalline phase-change materials," Nat. Mater., vol. 10, pp. 202-208, 2011.

[7] M. H. R. Lankhorst, B. W. Ketelaars and R. Wolters, "Low-cost and nanoscale non-volatile memory concept for future silicon chips," Nat. Mater., vol. 4, pp. 347-352, 2005.

[8] G. W. Burr, P. Tchoulfian, T. Topuria, C. Nyffeler, K. Virwani, A. Padilla, R. M. Shelby, M. Eskandari, B. Jackson and B. Lee, "Observation and modeling of polycrystalline grain formation in Ge2Sb2Te5," J. Appl. Phys., vol. 111, pp. 104308-104308-12, 2012.

[9] R. G. D. Jeyasingh, S. W. Fong, J. Lee, Z. Li, K. Chang, D. Mantegazza, M. Asheghi, K. E. Goodson and H. P. Wong, "Ultra-Fast Characterization of Phase-Change Material Crystallization Properties in the Melt-Quenched Amorphous Phase," Nano Lett, vol. 14, pp. 3419-3426, 2014.

[10] Faruk Dirisaglik, Gokhan Bakan, Zoila Jurado, Sadid Muneer, Mustafa Akbulut, Jonathan Rarey, Lindsay Sullivan, Maren Wennberg, Adrienne King, Lingyi Zhang, Rebecca Nowak, Chung Lam, Helena Silva, Ali Gokirmak, “High Temperature Electrical Characterization of Phase Change Materials: Metastable Phases, Crystallization Dynamics, and Resistance Drift”, Nanoscale, 7 (40), 16625-16630, 2015.

[11] Lakeshore, "Lakeshore 336 cryogenic temperature controller", Available:http://www.lakeshore.com/products/cryogenic-temperaturecontrollers/model-336/Pages/Overview.aspx

[12] G. Bakan, A. Cywar, H. Silva and A. Gokirmak, "Melting and crystallization of nanocrystalline silicon microwires through rapid selfheating," Appl. Phys. Lett, vol. 94, pp. 251910-251910-3, 2009.

[13] K. Cil, F. Dirisaglik, L. Adnane, M. Wennberg, A. King, A. Faraclas, M. B. Akbulut, Y. Zhu, C. Lam and A. Gokirmak, "Electrical Resistivity of Liquid Ge2Sb2Te5 Based on Thin-Film and Nanoscale Device Measurements," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 60, pp. 433-437, 2013.

[14] Stanford Research, "About Lock-In Amplifiers (Application Note #3)",Available:http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf.