Caractérisation thermique de mémoires à changement de phase: vers une optimisation énergétique du fonctionnement.

Clément Chassain1,⋆^{1,\star}, Andrzej Kusiak1^{1}, Jean-Luc Battaglia1^{1}
⋆^{\star} : clement.chassain@u-bordeaux.fr
1^{1} Université de Bordeaux
Mots clés : radiométrie photothermique, couches mince, conductivité thermique, résistance thermique d’interface, ToF-SIMS
Résumé :

Le travail présenté est inclus dans un des projets d’HORIZON 2020 concernant les mémoires à changement de phase (PCRAM). Ces mémoires stockent l’information en changeant l’état de la matière localement entre amorphe et cristallin à l’aide d’un chauffage par effet Joule. La phase amorphe (peu conductrice électriquement) est le bit 0 tandis que la phase cristalline (plus conductrice) est le bit 1. Ces mémoires possèdent un temps d’écriture et de lecture très rapide (quelques ns) ainsi qu’une bonne cyclabilité. Cependant, les coûts énergétiques pour cristalliser ou amorphiser le matériaux restent très importants. Pour remettre le matériau dans sa phase amorphe, il faut le faire chauffer jusqu’à sa fonte et ensuite réaliser une trempe. Cette étape est la plus coûteuse en énergie de tout le cycle, depuis de nombreuses années des moyens importants ont été mis en place pour optimiser ce processus. Les matériaux choisis pour ces applications technologiques sont des alliages de chalcogénures souvent sous forme de multicouches (de quelques nm). Il est donc crucial de connaître la résistance thermique d’interface entre les couches de ce multicouche ainsi que la conductivité thermique de ces matériaux à changement de phase (PCM). En effet, une conductivité thermique faible et des résistances thermiques d’interface élevées permettent un meilleur confinement de la chaleur et par conséquent permettent d’économiser de l’énergie. Finalement, il est également important de caractériser la résistance thermique d’interface entre l’élément chauffant et le PCM. Cette fois-ci, plus la résistance de contact est faible, plus la chauffe sera efficace.

Pour caractériser ces PCMs, la radiométrie photothermique modulée (MPTR) est une des méthodes de caractérisation thermique adaptées. Il est possible de caractériser des couches minces (quelque nm) en déterminant la résistance thermique totale d’un dépôt sur un substrat. Connaissant la résistance thermique totale de ce dépôt, il est possible d’en déterminer sa conductivité thermique; et dans le cas d’un multicouche d’en déterminer les résistances thermiques d’interface entre celles-ci. Cette méthode se base sur l’observation de l’émission propre des PCMs suite à perturbation thermique laser. A l’aide d’un modèle adapté et d’un algorithme d’optimisation, il est possible par méthode inverse de remonter jusqu’aux propriétés thermiques d’intérêt. La résistance thermique de contact entre du TiN (élément chauffant dans les PCRAM) et du Ge-rich GST (GST dopé en Ge étant le PCM) a été caractérisée. De plus, un PCM composé d’un assemblage de couches de GST et Ge-rich GST a également été caractérisé. Il nous a été possible de déterminer la résistance thermique de contact Ge-rich/GST. Finalement, il a été également montré, à l’aide de mesures complémentaires de ToF-SIMS, que les interfaces se dégradent pendant la chauffe à l’intérieur du multicouche GST/Ge-rich GST.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-007

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