This article presents three photothermal methods dedicated to the measurement of the thermal properties of chalcogenide alloys, used as a central element in the new generations of non-volatile memory. These materials have two phases, amorphous and crystalline, possessing a sharp contrast in their electrical and thermal properties. In the crystalline phase, the properties also change very significantly with temperature. The control of the temperature of the samples, the choice of transducers, and the time or frequency characteristic values of the photothermal excitation are thoroughly discussed. Each photothermal technique is described from the experimental point of view as well as from the inverse method, performed to identify the parameters of interest. The identified thermal properties mainly concern the thermal conductivity and the thermal resistance at the interfaces between the phase-change materials and the materials in contact as encountered in the production of the microelectronic memory device. Assessing various photothermal techniques, the study suggests that pulsed photothermal radiometry is the most effective method for sensitive high-temperature measurements of thermal properties of the phase-change materials.

1.
S. R.
Ovshinsky
,
Phys. Rev. Lett.
21
,
1450
(
1968
).
2.
N.
Yamada
,
E.
Ohno
,
K.
Nishiuchi
,
N.
Akahira
, and
M.
Takao
,
J. Appl. Phys.
69
,
2849
(
1991
).
3.
D.
Lencer
,
M.
Salinga
,
B.
Grabowski
,
T.
Hickel
,
J.
Neugebauer
, and
M.
Wuttig
,
Nat. Mater.
7
,
972
(
2008
).
4.
S.
Raoux
,
F.
Xiong
,
M.
Wuttig
, and
E.
Pop
,
MRS Bull.
39
,
703
(
2014
).
5.
W.
Zhang
,
R.
Mazzarello
,
M.
Wuttig
, and
E.
Ma
,
Nat. Rev. Mater.
4
,
150
(
2019
).
6.
A.
Pirovano
,
A. L.
Lacaita
,
A.
Benvenuti
,
F.
Pellizzer
,
S.
Hudgens
, and
R.
Bez
, in IEEE International Electron Devices Meeting 2003 (IEEE, 2003), pp. 29.6.1–29.6.4.
7.
S.
Raoux
,
G. W.
Burr
,
M. J.
Breitwisch
,
C. T.
Rettner
,
Y.
Chen
,
R. M.
Shelby
,
M.
Salinga
,
D.
Krebs
,
S.
Chen
,
H.
Lung
, and
C. H.
Lam
,
IBM J. Res. Dev.
52
,
465
(
2008
).
8.
R.
Annunziata
,
P.
Zuliani
,
M.
Borghi
,
G.
De Sandre
,
L.
Scotti
,
C.
Prelini
,
M.
Tosi
,
I.
Tortorelli
, and
F.
Pellizzer
, in 2009 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) (IEEE, 2009), pp. 1–4.
9.
J. H.
Yi
,
Y. H.
Ha
,
J. H.
Park
,
B. J.
Kuh
,
H.
Horii
,
Y. T.
Kim
,
S. O.
Park
,
Y. N.
Hwang
,
S. H.
Lee
,
S. J.
Ahn
,
S. Y.
Lee
,
J. S.
Hong
,
K. H.
Lee
,
N. I.
Lee
,
H. K.
Kang
,
U.-I.
Chung
, and
J. T.
Moon
, in IEEE International Electron Devices Meeting 2003 (IEEE, 2003), pp. 37.3.1–37.3.4.
10.
S.
Tyson
,
G.
Wicker
,
T.
Lowrey
,
S.
Hudgens
, and
K.
Hunt
, in 2000 IEEE Aerospace Conference. Proceedings (Cat. No.00TH8484) (IEEE, 2000), Vol. 5, pp. 385–390.
11.
F.
Pellizzer
,
A.
Pirovanc
,
F.
Ottogalli
,
M.
Magistretti
,
M.
Scaravaggi
,
P.
Zuliani
,
M.
Tosi
,
A.
Benvenuti
,
P.
Besana
,
S.
Cadeo
,
T.
Marangon
,
R.
Morandi
,
R.
Piva
,
A.
Spandre
,
R.
Zonca
,
A.
Modelli
,
E.
Varesi
,
T.
Lowrey
,
A.
Lacaita
,
G.
Casagrande
,
P.
Cappelletti
, and
R.
Bez
, in Digest of Technical Papers. 2004 Symposium on VLSI Technology, 2004 (IEEE, 2004), pp. 18–19.
12.
M.
Longo
,
R.
Fallica
,
C.
Wiemer
,
O.
Salicio
,
M.
Fanciulli
,
E.
Rotunno
, and
L.
Lazzarini
,
Nano Lett.
12
,
1509
(
2012
).
13.
B.
Yu
,
X.
Sun
,
S.
Ju
,
D. B.
Janes
, and
M.
Meyyappan
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
7
,
496
(
2008
).
14.
F.
Xiong
,
M.-H.
Bae
,
Y.
Dai
,
A.
Liao
,
A.
Behnam
,
E.
Carrion
,
S.
Hong
,
D.
Ielmini
, and
E.
Pop
,
Nano Lett.
13
,
464
(
2013
).
15.
R. E.
Simpson
,
P.
Fons
,
A. V.
Kolobov
,
T.
Fukaya
,
M.
Krbal
,
T.
Yagi
, and
J.
Tominaga
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
501
(
2011
).
16.
A. L.
Lacaita
and
D. J.
Wouters
,
Phys. Status Solidi A
205
,
2281
(
2008
).
17.
H. P.
Wong
,
S.
Raoux
,
S.
Kim
,
J.
Liang
,
J. P.
Reifenberg
,
B.
Rajendran
,
M.
Asheghi
, and
K. E.
Goodson
,
Proc. IEEE
98
,
2201
(
2010
).
18.
S.
Raoux
,
W.
Wełnic
, and
D.
Ielmini
,
Chem. Rev.
110
,
240
(
2010
).
19.
J.
Reifenberg
,
E.
Pop
,
A.
Gibby
,
S.
Wong
, and
K.
Goodson
, in Thermal and Thermomechanical Proceedings 10th Intersociety Conference on Phenomena in Electronics Systems, 2006. ITHERM 2006 (IEEE, 2006), pp. 106–113.
20.
A.
Faraclas
,
G.
Bakan
,
L.
Adnane
,
F.
Dirisaglik
,
N. E.
Williams
,
A.
Gokirmak
, and
H.
Silva
,
IEEE Trans. Electron Devices
61
,
372
(
2014
).
21.
D. L.
Kencke
,
I. V.
Karpov
,
B. G.
Johnson
,
S. J.
Lee
,
D.
Kau
,
S. J.
Hudgens
,
J. P.
Reifenberg
,
S. D.
Savransky
,
J.
Zhang
,
M. D.
Giles
, and
G.
Spadini
, in 2007 IEEE International Electron Devices Meeting (IEEE, 2007), pp. 323–326.
22.
J. P.
Reifenberg
,
D. L.
Kencke
, and
K. E.
Goodson
,
IEEE Electron Device Lett.
29
,
1112
(
2008
).
23.
J. P.
Reifenberg
,
K.
Chang
,
M. A.
Panzer
,
S.
Kim
,
J. A.
Rowlette
,
M.
Asheghi
,
H. P.
Wong
, and
K. E.
Goodson
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
56
(
2010
).
24.
D. G.
Cahill
,
H. E.
Fischer
,
T.
Klitsner
,
E. T.
Swartz
, and
R. O.
Pohl
,
J. Vac. Sci. Technol. A
7
,
1259
(
1989
).
25.
D. G.
Cahill
,
Rev. Sci. Instrum.
61
,
802
(
1990
).
26.
J. H.
Kim
,
A.
Feldman
, and
D.
Novotny
,
J. Appl. Phys.
86
,
3959
(
1999
).
27.
L.
Shi
and
A.
Majumdar
,
ASME J. Heat Transfer
124
,
329
(
2002
).
28.
B.
Cretin
,
S.
Gomes
,
N.
Trannoy
, and
P.
Vairac
, Scanning Thermal Microscopy, Microscale and Nanoscale Heat Transfer Topics (Springer-verlag, Berlin, 2007).
29.
H. M.
Pollock
and
A.
Hammiche
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
34
,
R23
(
2001
).
30.
H.
Fischer
,
Thermochim. Acta
425
,
69
(
2005
).
31.
M.
Nonnenmacher
and
H. K.
Wickramasinghe
,
Appl. Phys. Lett.
61
,
168
(
1992
).
32.
S.
Lefèvre
and
S.
Voltz
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
033701
(
2005
).
33.
A.
Majumdar
,
Annu. Rev. Mater. Sci.
29
,
505
(
1999
).
34.
A.
Majumdar
,
J. P.
Carrejo
, and
J.
Lai
,
Appl. Phys. Lett.
62
,
2501
(
1993
).
35.
R.
Aster
,
B.
Borchers
, and
C.
Thurber
,
Parameter Estimation and Inverse Problems
(
Elsevier Science
,
2018
).
36.
S.
Deemyad
and
I. F.
Silvera
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
086105
(
2008
).
37.
J.-L.
Battaglia
,
A.
Kusiak
,
V.
Schick
,
A.
Cappella
,
C.
Wiemer
,
M.
Longo
, and
E.
Varesi
,
J. Appl. Phys.
107
,
044314
(
2010
).
38.
J.-L.
Battaglia
,
V.
Schick
,
C.
Rossignol
,
A.
Kusiak
,
I.
Aubert
,
A.
Lamperti
, and
C.
Wiemer
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
181907
(
2013
).
39.
J. J.
Moré
, in Numerical Analysis, edited by G. A. Watson (Springer, Berlin, 1978), pp. 105–116.
40.
R. H.
Byrd
,
J. C.
Gilbert
, and
J.
Nocedal
,
Math. Program.
89
,
149
(
2000
).
41.
W. K.
Hastings
,
Biometrika
57
,
97
(
1970
).
42.
R. D.
Cowan
,
J. Appl. Phys.
32
,
1363
(
1961
).
43.
P.-E.
Nordal
and
S. O.
Kanstad
,
Phys. Scr.
20
,
659
(
1979
).
44.
J.
Ishii
,
Y.
Shimizu
,
K.
Shinzato
, and
T.
Baba
,
Int. J. Thermophys.
26
,
1861
(
2005
).
45.
J.-L.
Battaglia
,
A.
Kusiak
,
M.
Bamford
, and
J.-C.
Batsale
,
Int. J. Therm. Sci.
45
,
1035
(
2006
).
46.
N.
Horny
,
M.
Chirtoc
,
A.
Fleming
,
G.
Hamaoui
, and
H.
Ban
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
033103
(
2016
).
47.
H. G.
Walther
and
T.
Kitzing
,
J. Appl. Phys.
84
,
1163
(
1998
).
48.
A.
Mandelis
,
J.
Batista
, and
D.
Shaughnessy
,
Phys. Rev. B
67
,
205208
(
2003
).
49.
S.
Paoloni
and
D.
Fournier
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
523
(
2003
).
50.
S.
André
,
B.
Rémy
,
D.
Maillet
,
A.
Degiovanni
, and
J.-J.
Serra
,
J. Appl. Phys.
96
,
2566
(
2004
).
51.
M.
Depriester
,
P.
Hus
,
S.
Delenclos
, and
A. H.
Sahraoui
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
074902
(
2005
).
52.
R.
Fuente
,
E.
Apiñaniz
,
A.
Mendioroz
, and
A.
Salazar
,
J. Appl. Phys.
110
,
033515
(
2011
).
53.
K.
Ghosh
,
A.
Kusiak
,
P.
Noé
,
M.-C.
Cyrille
, and
J.-L.
Battaglia
,
Phys. Rev. B
101
,
214305
(
2020
).
54.
A.
Kusiak
,
J.-L.
Battaglia
,
P.
Noé
,
V.
Sousa
, and
F.
Fillot
,
J. Phys.: Conf. Ser.
745
,
032104
(
2016
).
55.
J.-L.
Battaglia
,
A.
Kusiak
,
C.
Gaborieau
,
Y.
Anguy
,
H. T.
Nguyen
,
C.
Wiemer
,
R.
Fallica
,
D.
Campi
,
M.
Bernasconi
, and
M.
Longo
,
Phys. Status Solidi RRL
10
,
544
(
2016
).
56.
J.-L.
Battaglia
,
A.
Kusiak
,
A.
Saci
,
R.
Fallica
,
A.
Lamperti
, and
C.
Wiemer
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
121903
(
2014
).
57.
W. S.
Capinski
and
H. J.
Maris
,
Rev. Sci. Instrum.
67
,
2720
(
1996
).
58.
M. G.
Burzo
,
P. L.
Komarov
, and
P. E.
Raad
,
J. Heat Transfer
124
,
1009
(
2002
).
59.
T.
Baba
,
K.
Ishikawa
,
T.
Yagi
, and
N.
Taketoshi
, arXiv e-prints, arXiv:0709.1845 (2007).
60.
A. J.
Schmidt
,
X.
Chen
, and
G.
Chen
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
114902
(
2008
).
61.
S.
Dilhaire
,
G.
Pernot
,
G.
Calbris
,
J. M.
Rampnoux
, and
S.
Grauby
,
J. Appl. Phys.
110
,
114314
(
2011
).
62.
H.-K.
Lyeo
,
D. G.
Cahill
,
B.-S.
Lee
,
J. R.
Abelson
,
M.-H.
Kwon
,
K.-B.
Kim
,
S. G.
Bishop
, and
B.-K.
Cheong
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
151904
(
2006
).
63.
M.
Kuwahara
,
O.
Suzuki
,
Y.
Yamakawa
,
N.
Taketoshi
,
T.
Yagi
,
P.
Fons
,
T.
Fukaya
,
J.
Tominaga
, and
T.
Baba
,
Microelectron. Eng.
84
,
1792
(
2007
).
64.
J. P.
Reifenberg
,
M. A.
Panzer
,
S.
Kim
,
A. M.
Gibby
,
Y.
Zhang
,
S.
Wong
,
H.-S. P.
Wong
,
E.
Pop
, and
K. E.
Goodson
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
111904
(
2007
).
65.
Q.
Li
,
J.
Wei
,
H.
Sun
,
K.
Zhang
,
Z.
Huang
, and
L.
Zhang
,
Sci. Rep.
7
,
13747
(
2017
).
66.
R. J.
Warzoha
,
B. F.
Donovan
,
N. T.
Vu
,
J. G.
Champlain
,
S.
Mack
, and
L. B.
Ruppalt
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
023104
(
2019
).
67.
E.
Bozorg-Grayeli
,
J. P.
Reifenberg
,
K. W.
Chang
,
M.
Panzer
, and
K. E.
Goodson
, in 2010 12th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (IEEE, 2010), pp. 1–7.
68.
C.
Kim
,
D.-S.
Suh
,
K. H. P.
Kim
,
Y.-S.
Kang
,
T.-Y.
Lee
,
Y.
Khang
, and
D. G.
Cahill
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
013109
(
2008
).
69.
W. J.
Parker
,
R. J.
Jenkins
,
C. P.
Butler
, and
G. L.
Abbott
,
J. Appl. Phys.
32
,
1679
(
1961
).
70.
J. A.
Cape
and
G. W.
Lehman
,
J. Appl. Phys.
34
,
1909
(
1963
).
71.
R. D.
Cowan
,
J. Appl. Phys.
34
,
926
(
1963
).
72.
J. T.
Schriempf
,
Rev. Sci. Instrum.
43
,
781
(
1972
).
73.
T.
Azumi
and
Y.
Takahashi
,
Rev. Sci. Instrum.
52
,
1411
(
1981
).
74.
Y.
Takahashi
, “Measurement of thermophysical properties of metals and ceramics by the laser-flash method,”
Int. J. Thermophys.
5
,
41
52
(
1984
).
75.
A.
Degiovanni
,
G.
Sinicki
, and
M.
Laurent
, “Heat pulse thermal diffusivity measurements-thermal properties temperature dependence and non-uniformity of the pulse heating,” in Thermal Conductivity 18, edited by T. Ashworth and D. R. Smith (Springer US, Boston, MA, 1985), pp. 537–551.
76.
J. J.
Hoefler
and
R. E.
Taylor
,
Int. J. Thermophys.
11
,
1099
(
1990
).
77.
T.
Baba
,
M.
Kobayashi
,
A.
Ono
,
J.
Hong
, and
M.
Suliyanti
,
Thermochim. Acta
218
,
329
(
1993
).
78.
T.
Baba
and
A.
Ono
,
Meas. Sci. Technol.
12
,
2046
(
2001
).
79.
L.
Vozar
,
G.
Labudova
, and
W.
Hohenauer
,
Int. J. Thermophys.
23
,
1157
(
2002
).
80.
D.
Maillet
,
S.
André
,
J.-C.
Batsale
,
A.
Degiovanni
, and
C.
Moyne
,
Thermal Quadrupoles: Solving the Heat Equation Through Integral Transforms
(
Wiley
,
2000
).
81.
J.-L.
Battaglia
,
E.
Ruffio
,
A.
Kusiak
,
C.
Pradere
,
E.
Abisset
,
S.
Chevalier
,
A.
Sommier
, and
J.-C.
Batsale
,
Measurement
158
,
107691
(
2020
).
You do not currently have access to this content.