Soutenance de thèse de FERNANDES Thomas
Titre de thèse
Couches minces de GST enrichies en Ge pour mémoires intégrées : effets du dopage et dynamique ultrarapide induite par laser étudiée par radiations synchrotron
Phase-Change Ge-Rich GST Thin Films for Embedded Memories: Doping Effects and Ultrafast Laser-Induced Dynamics Evaluated with Synchrotron Radiations
Résumé de la thèse
La mémoire vive à changement de phase (PCRAM) est une technologie de mémoire non volatile prometteuse pour les applications de mémoires intégrées et de calcul en mémoire, reposant sur la transition réversible amorphe–cristalline d'alliages chalcogénures. Afin de répondre aux exigences de stabilité thermique des environnements industriels et automobiles, des alliages Ge₂Sb₂Te₅ enrichis en germanium (GGST) ont été développés par STMicroelectronics, offrant des températures de cristallisation plus élevées que le Ge₂Sb₂Te₅ conventionnel. Cette thèse étudie les propriétés structurelles, chimiques et dynamiques de couches minces de GGST, en mettant l'accent sur l'impact du dopage et de l'excitation laser ultrarapide sur le comportement à changement de phase.
Des techniques basées sur le rayonnement synchrotron, incluant la diffraction des rayons X in situ et résolue en temps, la diffraction des rayons X en faisceau large ainsi que la cartographie par fluorescence X, ont été utilisées pour suivre la cristallisation, la ségrégation élémentaire et l'évolution structurale avec une haute résolution spatiale et temporelle. Le rôle des dopants dans le retardement de la cristallisation du germanium, la modification de la microstructure et l'amélioration de la stabilité thermique a été étudié. En parallèle, les transitions de phase induites par laser ont été analysées sur une large gamme de fluences, révélant différents régimes de cristallisation contrôlée, d'amorphisation et de comportements thermiques, étayés par une modélisation thermique.
Dans l'ensemble, ce travail apporte de nouveaux éclairages sur la cinétique de changement de phase des matériaux GGST et démontre comment l'ingénierie des matériaux peut être exploitée pour optimiser les performances des PCRAM en vue des technologies de mémoires intégrées de nouvelle génération.
Thesis resume
Phase-Change Random Access Memory is a promising non-volatile memory technology for embedded and in-memory computing applications, relying on the reversible amorphous–crystalline transition of chalcogenide alloys. To meet the thermal stability requirements of industrial and automotive environments, Ge-rich Ge2Sb2Te5 (GGST) alloys have been developed by STMicroelectronics, offering increased crystallization temperatures compared to conventional Ge2Sb2Te5. This thesis investigates the structural, chemical, and dynamical properties of GGST thin films, with a particular focus on the impact of doping and ultrafast laser excitation on phase-change behavior.
Synchrotron-based techniques, including in situ and time-resolved X-ray diffraction, broad beam X-ray diffraction and X-ray fluorescence mapping, were employed to monitor crystallization, elemental segregation and structural evolution with high spatial and temporal resolution. The role of dopants in delaying Ge crystallization, modifying microstructure, and influencing thermal stability was explored. In parallel, laser-induced phase transitions were studied over a wide fluence range, revealing regimes of controlled crystallization, amorphization and thermal behavior supported by thermal modeling.
Overall, this work provides new insights into the phase-change kinetics of GGST materials and demonstrates how material engineering can be leveraged to optimize PCRAM performance for next-generation embedded memory technologies.