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1 Science Arts & Métiers (SAM) is an oen access reository that collects the work of Arts et Métiers ParisTech researchers and makes it freely available over the web where ossible. This is an author-deosited version ublished in: htt://sam.ensam.eu Handle ID:.htt://hdl.handle.net/10985/6615 To cite this version : Jean-Luc BATTAGLIA, Vincent SCHICK, Andrzej KUSIAK, Clément ROSSIGNOL, Claudia WIEMER - Comortement thermo - acoustique d une interface métal semiconducteur à changement de hase Any corresondence concerning this service should be sent to the reository Administrator : archiveouverte@ensam.eu

2 Comortement thermo - acoustique d une interface métal semiconducteur à changement de hase. Jean-Luc Battaglia 1, Vincent Schick 1, Andrzej Kusiak 1, Clément Rossignol 2, Claudia Wiemer 3 1 Laboratoire de Transferts Écoulements Fluides Énergétique (TREFLE) UMR 8508 Eslanade des Arts et Métiers Talence Cedex 2 Laboratoire de Mécanique Physique (LMP) UMR 5469 Université Bordeaux 1 351, Cours de la Libération Talence cedex 3 Laboratorio MDM, IMM-CNR, Via C. Olivetti 2, Agrate Brianza, MB, Italy. * (auteur corresondant : jean-luc.battaglia@ ensam.eu Résumé - La technique ome - sonde résolue en tems est utilisée our étudier les roriétés thermiques et mécaniques d une couche de Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) déosée sous forme de film sur un substrat de silicium. Une couche d aluminium de quelques nanomètres d éaisseur est déosée sur la couche de GST ; elle joue le rôle de transducteur otique et thermique our l exérience ome sonde. Cette étude est réalisée en fonction de la temérature de l échantillon. La connaissance réalable des roriétés thermique de la couches de GST en fonction de la temérature (mesurées ar radiométrie hotothermique module) nous ont ermit de nous intéresser lus récisément aux caractéristiques thermiques de l interface AL - GST. L exérience ome sonde aux tems courts (quelques icosecondes ermet aussi de révéler le comortement acoustique de l interface et donc de mettre en évidence l adhésion de la couche d aluminium sur le GST et ceci dans le domaine 25 C 400 C de temérature. Les résultats nous ont ermis de trouver une augmentation très significative de la résistance thermique d interface en fonction de la temérature croissante. Cette variation résulte rincialement du changement de hase amorhe - cristallin et cristallin fcc vers cristallin hc au fur et à mesure que la temérature augmente. Nomenclature T Temérature, K 1/β Profondeur de énétration otique, m k Conductivité thermique, W.m -1.K -1 C -1 Caacité thermique massique J kg -1 K e Eaisseur, m f m Fréquence de modulation Hz j Variable comlexe Variable de Lalace R Réflectivité R 0 Réflectivité à temérature ambiante S mesure à la détection synchrone V t Tems, s t s Tems de retard ome-sonde s T Durée de réétition d imulsion s TBR Résistance thermique d interface m 2.K.W -1 Symboles grecs Diffusivité thermique, m 2.s -1 inverse de rofondeur de énétration otique m -1 ρ Masse volumique kg.m -3 κ Coefficient d extinction otique λ Longueur d onde m Densité de flux W.m -2 Temérature transformée (Lalace) tems de thermalisation s Indices uminium GST Ge 2 Sb 2 Te 5 1. Introduction Les matériaux à changement de hase sont étudiés de manière intensives Durant ces dernières années à cause de l intérêt qu ils résentent vis-à-vis de la nouvelle génération de mémoire non volatiles (encore aelées mémoire à changement de hase MCP) [1,2]. Le

3 fonctionnement des MCP reose sur l utilisation de matériaux chalcogénures qui sont des allotroiques semiconducteurs aartement aux groues IV, V et VI de la classification ériodique. Ils euvent asser de l état amorhe à cristallin de manière réversible et raide (quelques nanosecondes) en entraînant des variations très signification de la conductivité électrique (variations sur 4 décades) et ainsi conduire à un stockage de bit d information. L alliage Ge 2 Sb 2 Te 5, communément nommé GST, est un des alliages chalcogénures les lus utilises actuellement [3]. Il est stable à temérature ambiante des les hases amorhe et hexagonal (hc), et métastable our la hase cubique faces centrées (fcc) [4,5]. La transition amorhe/ fcc aaraît à 130 C alors que la transition fcc/hc aaraît à 350 C. La temérature de fusion est aroximativement de 600 C. La transformation amorhe/cristallin est réversible : en chauffant le GST en hase amorhe jusqu à la temérature de transition vitreuse conduit à la hase cristalline, en amenant la hase cristalline jusqu à temérature de fusion et en refroidissant raidement l alliage (treme) on retrouve la hase amorhe. La simulation du comortement électrique des MCP reose donc sur une arfaite maîtrise des transferts de chaleur dans ces disositifs et donc sur la connaissance des roriétés thermiques des matériaux en résence. La masse volumique de l alliage varie en fonction de la structure cristalline [6]: 5,87 g.cm -3 en hase amorhe, 6,27 g.cm -3 en hase fcc et 6,39 g.cm -3 en hase hc. La caacité thermique ar unité de volume du GST-225, ne déend as de la structure cristallograhique à temérature lus grande que la temérature de Debye et est égale à : C =1.28x10 6 J.K -1.m -3. Nous avons résenté dans des récédentes communications [8, 9] la mesure de la conductivité thermique ar radiométrie hotothermique modulée dans le domaine de fréquence [ ] Hz, le résultat est résenté en figure 1. La vitesse du son longitudinale a été mesurée ar acoustique icosecondes [7] et est égale à 2,25 nm.s -1, 3,19 nm.s -1 et 3,3 nm.s -1 our les hases amorhes, fcc et hc resectivement. L objet de la résente communication est de montrer l influence de la résistance thermique d interface entre le GST et les électrodes métalliques. En effet, étant donné les très etites éaisseurs de couche mises en jeu, la résistance d interface ourrait être du même ordre de grandeur que la résistance thermique de la couche elle-même. Les résents travaux ont donc our objectif de mesurer la résistance d interface entre une couche de GST de 210 nm d éaisseur et une couche d»aluminium de 20 nm d éaisseur en fonction de la temérature. Nous utilisons our cela le disositif de réflectométrie ome-sonde résolu en tems. 2. Disositif exérimental : thermo-réflectométrie résolu en tems Pour réaliser nos mesures, nous avons utilisé un banc dit «d acoustique icoseconde» déveloé ar le LMP our étudier les hénomènes de roagation d onde acoustique à l échelle du nanomètre et de la icoseconde [7]. Cette technique ermet d étudier la réonse d un matériau à une erturbation ultra brève (100 fsec soit 0,1 sec) en mesurant les variations de réflectivité induite ar celle-ci à sa surface. Dans le cadre d une mesure en thermo-réflectométrie la variation de réflectivité ΔR/R 0 est suosée roortionnelle à la variation de temérature à la surface du matériau. La technique de thermo-réflectométrie ome sonde résolue en tems est détaillée en figure 2. Un laser Ti:sahir roduit une imulsion laser de 100 fsec à une longueur d onde 800 nm avec une fréquence de réétition de 80 Mhz (donc un tems de réétition de T=12 nsec). Le faisceau Laser est ensuite divisé en deux ar un cube olarisant : Un faisceau dit «ome», va chauffer la surface de l échantillon. La uissance de ome reçue ar l échantillon est de 2 mw, le sot ayant un diamètre de 20 µm. Avant d arriver

4 sur l échantillon le faisceau ome asse dans un cristal doubleur de fréquence our diviser ar deux sa longueur d onde, afin de le différencier du faisceau sonde. Un faisceau dit «sonde» qui va être réfléchi ar la surface du matériau uis renvoyé vers une hotodiode en silicium our mesurer la variation relative ΔR/R 0 de réflectivité à la surface de l échantillon. L imulsion sonde est décalée temorellement ar raort à l imulsion ome en augmentant la distance arcourue ar le faisceau sonde ar raort a la ome. On utilise our cela un disositif de translation mécanique de miroir en coin de cube aelé «ligne à retard». En faisant varier cette distance on fait varier roortionnellement le décalage temorel entre les deux imulsions, ce qui nous ermet de mesurer l intégralité de la courbe de relaxation entre deux imulsion en réflectométrie. La uissance de sonde reçue ar l échantillon est de 0,12 mw, le sot ayant un diamètre de 20 µm. La uissance de ome est nettement suérieur à la uissance du faisceau sonde de façon à ce que cette dernière ne erturbe as le cham de temérature généré ar la ome. Le faisceau ome est modulé à l aide un modulateur acousto-otique à une fréquence de f m =330 khz. Un amlificateur a détection synchrone Stanford Research SR 830 utilisant ce signal de modulation comme référence ermet d extraire du signal électrique en sortie de la hotodiode. La fréquence de modulation est choisie en raison de la densité sectrale de bruit. En effet à 330kHz on est moins erturbé ar des signaux de liés à des émissions électromagnétiques ou à des vibrations mécaniques. On effectue aussi lusieurs translations de ligne à retard et on additionne les signaux enregistrés à chaque assage afin de moyenner le signal reçu et d améliorer le raort signal sur bruit. Pour maintenir nos échantillons en temérature on utilise une latine chauffante LINKAM TS 1000 coulé à un disositif ermettant de travailler sous atmoshère inerte (Argon) ermet d étudier les échantillons couches minces en temérature. Notons que l absortion du faisceau ome au sein de la couche d aluminium est donnée ar 1/ /4, où le coefficient d extinction otique est κ 400nm = 3,92 à 400 nm et κ 800nm =8,06 à 800 nm. 3. Modèle du transfert de la chaleur dans l échantillon En se basant sur le modèle à 2 temératures (une temérature de réseau et une temérature électronique) nous avons montré dans une étude récédente [10] que la thermalisation entre réseau et gaz d électrons est obtenue à artir d un tems τ=10 sec. L utilisation du modèle de Fourier n est donc ermise qu au-delà de ce tems caractéristique. Pour les durées d exérience réalisées (10 nsec) la couche de GST se comorte comme un milieu semi infini. Le transfert est d autre art considéré comme unidirectionnel étant donné le diamètre de la tâche laser devant la rofondeur de énétration de la chaleur durant un flash. On admet qu il n y a as de ertes de chaleur significative sur le face excitée our la durée de l exérience. En notant T (t) le temérature de la couche d aluminium suosée uniforme à chaque instant t>, on a : C e dt dt Si T (0) est la temérature initiale de la couche d à l instant initial, l alication de la transformée de Lalace à la relation récédente conduit à (=j) :

5 C e T 0 TBR -GST 1 k C La figure 3 donne une illustration de ce modèle à artir de la rerésentation ar imédances thermiques bien ratique our comrendre le lien entre transfert et modèle. Un calcul simle basé sur la théorie des distributions ermet de rendre en comte la réétition du faisceau ome et donne la réonse mesurée ar la détection synchrone (artie réelle) : i j2 its Sts j2 fm ex i T T quand t s varie de 0 à T. 4. Résultats et discussion Les résultats exérimentaux de variation relative de réflectivité sont reortés sur la figure 4. On constate que le comortement transitoire est très différent d une temérature à l autre et que d autre art la ligne de base our chaque réonse varie aussi très significativement. Ce résultat démontre donc bien d une art le changement de la conductivité thermique du GST en fonction de la temérature mais aussi le changement de TBR nécessaire our exliquer de telles variations. Nous avons vérifié que la variation relative de la ligne de base était arfaitement cohérente avec la variation relative de résistance thermique de la couche de GST e GST /k GST (où la conductivité thermique k GST rovient des données ortées sur la figure 1), comme cela est rerésenté sur la figure 5. Une analyse des surfaces des échantillons testés ar microscoie à électrons secondaires montre une raide dégradation de la couche d à artir de 320 C. Nous utilisons les roriétés de la couche de GST (notamment la conductivité thermique reortée en figure 1) our estimer la résistance thermique (TBR) à l interface /GST en utilisant l algorithme de Levenberg-Marquardt (LM). En effet, l identification simultanée de la conductivité et de la TBR est difficile car les 2 valeurs sont très roches et la déendance linéaire des fonctions de sensibilité lus imortante, et donc conduisant à un faible domaine de confiance des aramètres estimés ar la méthode de LM. Les résultats sont reortés sur la figure 6. Sur la même figure nous avons reortés les résultats our l interface or (30 nm)-gst (210 nm). Bien que nous ayons une incertitude assez forte sur les résultats résentés, nous constatons une évolution très imortante de la TBR lors du assage fcc/hc. En effet ce assage se traduit ar une croissance cristalline imortante et une orientation référentielle des grains qui tendent à détruire l interface entre le GST avec les métaux déosés. Ce résultat est confirmé ar la mesure des ondes acoustiques durant les remiers instants de l exérience. L observation sur le domaine temorel 0-50 sec montre la variation de l onde acoustique en fonction de la temérature d essai (voir la figure 7). La ériode de l onde est d environ 10 sec, ce qui corresond au tems de voyage aller-retour de l onde dans la couche de GST. L atténuation de l onde acoustique est très variable en fonction de la temérature : lus la temérature est élevée et moins l onde est amortie. Nous ouvons donc relier la détérioration de la TBR mesurée à l adhésion de la couche métallique sur le GST lorsque la temérature augmente. Cette erte d adhésion est reliée très significativement à la structure cristalline du GST lors du assage fcc/hc. Néanmoins, il faut aussi envisager une contribution de diffusion chimique des esèces de art et d autre de l interface lorsque la temérature augmente. Ceci a été démontré ar une analyse de la réartition des esèces selon la rofondeur dans l échantillon ar technique Tof-SIMS (time of flight second ions mass sectroscoy). GST

6 Références [1] Wuttig M (2005), Nature Mater. 4, 265 [2] Lankhorst M, Ketelaars B and Wolters R, (2005), Nature Mater. 4, 347 [3] Kolobov A, Fons P, Frenkel A, Ankudinov A, Tominaga J and Uruga T, (2004), Nature Mater. 3, 703 [4] Yamada N and Matsunaga T, (2000), J. Al. Phys. 88, 7020 [5] Y Park, J Lee, M Youm, Y Kim and H Lee, (2005), J. Al. Phys. 97, [6] Njoroge W K, Woltgns H W, Wuttig M, (2002), J. Vac. Sci. Technol. A 20, 230 [7] Lyeo H, Cahill D, Lee B, Abelson J, Know M, Kim K, Bisho S, and Cheong B, (2006), Al. Phys. Lett. 89, [8] Battaglia J-L, Kusiak A, Schick V, Caella A, Wiemer C, Longo M, Varesi E, (2010), J. Al. Phys. 107, doi / [9] V. Schick, A. Caella, J.-L. Battaglia, A. Kusiak, Congrès Français de Thermique, 3-6 juin 2009, Editions Société Française de Thermique, Vannes, France. [10] Battaglia J-L, Kusiak A, Rossignol C, Chigarev N, (2007), Phys. Rev. B 76, k (W m -1 K -1 ) C RT amorhous -> x -fcc x -fcc -> x -hc temerature ( C) Figure 1 : Conductivité thermique du Ge 2 Sb 2 Te 5 mesurée ar radiométrie hototermique modulée sur la lage de temérature C. Laser Ti : sahir imulsion 0,1s 80 MHz Miroir sur ligne a retard λ/2 Beamsleater Modulateur acoustootique Faisceau Sonde Photodiode Si Cristal doubleur de fréquence Lock-in Amlifier Faisceau réfléchi Echantillon Couche mince Faisceau Pome Figure 2 : Schéma du montage exérimental de thermo-réflectométrie icoseconde résolue en tems. TBR -GST 1 C e Z k GST 1 C GST Figure 3 : rerésentation du modèle de transfert de chaleur dans le système -GST. Figure 4 : réonse exérimentale obtenue ar thermo-réflectométrie à différentes temératures.

7 1 Rth GST 210 nm 0.8 comosante continu DR/R0 U.A Temérature ( C) Figure 5 : variation relative de la ligne de base et de la résistance thermique de la couche de GST déduite des données de la figure 1. 6E-7 GST/Au GST/ hc 25 C TBR (K.m ²/W ) 4E-7 2E-7 ΔR/R 0 hc fcc 400 C 250 C 0E Temérature ( C) Figure 6 : variation de la résistance thermique à l interface -GST (et comaraison avec AU-GST) en fonction de la temérature. amorhous Time (s) Figure 7 : mise en évidence de la mise en résonance de la couche d en fonction de la temérature. 25 C