авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Бистабильное электрическое переключение в структурах на основе оксидов ванадия

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Путролайнен Вадим Вячеславович

Бистабильное электрическое переключение
в структурах на основе оксидов ванадия

Специальность 01.04.04 — физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Петрозаводск
2009

Работа выполнена на кафедре Электроники и Электроэнергетики
Петрозаводского государственного университета.

Научный руководитель: Доктор физ.-мат. наук,
профессор Стефанович Генрих Болеславович
Официальные оппоненты: Доктор физ.-мат. наук, профессор Барабан Александр Петрович
(Санкт-Петербургский государственный университет) Кандидат физ.-мат. наук, доцент Малиненко Владимир Пантелеймонович
(Петрозаводский государственный университет)
Ведущая организация: Карельская государственная
педагогическая академия

Защита состоится «18» декабря 2009 г. в часов на заседании Диссертационного Совета ДМ 212.190.06 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33, ауд. 221.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор физ.-мат. наук, профессор А. Д. Фофанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Под термином бистабильное переключение (или переключение с памятью) обычно понимают значительное и обратимое изменение величины проводимости полупроводников или изоляторов под действием электрического поля, сохраняющееся при отключении напряжения. Исследование подобного переключения интересно
с научной точки зрения, так как дает информацию о взаимосвязи электронных и ионных процессов в твердых телах. Кроме того, в последнее время резко возрос интерес к явлениям, которые могут лечь в основу «универсальной» компьютерной памяти. Под «универсальной» памятью подразумевается устройство, позволяющее выполнять функции как оперативного, так и долговременного, энергонезависимого хранения информации. Бистабильное переключение рассматривается как одно из самых перспективных направлений для разработки подобной памяти.

Эффекты переключения наблюдаются в тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников, аморфного кремния, полупроводниковых полимеров. Однако, наиболее ярко электрические неустойчивости различного типа (электроформовка, пороговое переключение, эффекты памяти) проявляются в целом ряде  оксидов переходных металлов (ОПМ) [1-3,7]. Бистабильное переключение и управляемое током или напряжением отрицательное дифференциальное сопротивление было обнаружено, в частности, в таких оксидах как Nb2O5 [1], Al2O3, Ta2O5 [2], TiO2[3], NiO и др.



Оксиды переходных металлов обладают рядом интересных физических явлений: высокотемпературная сверхпроводимость, фазовый переход металл-полупроводник (ФПМП), электрохромный эффект, колоссальное магнетосопротивление и т. д. Одним из перспективных материалов для микроэлектронных, электрохимических и оптоэлектронных устройств является пентаоксид ванадия [4]. Поликристаллические пленки пентаоксида ванадия имеют большой потенциал для применения
в электрохромных дисплеях, цветовых фильтрах и других оптических приложениях. Кроме того, V2O5 используется в тонкопленочных микробатареях и газовых сенсорах. Возможность восстанавливать V2O5 до оксидов более низкой валентности, например, до VO2, проявляющего ФПМП, дает дополнительные возможности для различных приложений. Резкое и обратимое изменение оптических и электрических свойств при температуре ФПМП Tth=68°C потенциально перспективно в плане использования диоксида ванадия в оптических и электрических переключающих устройствах [5]. В связи с этим выявление основных закономерностей переключения с памятью в тонкопленочных структурах на основе оксидов ванадия и изучение возможности использования этого явления для разработки новой памяти является актуальной задачей.

Отметим также, что оптимальных технологических приемов создания микро- и наноструктур на основе ОПМ не существует. Поэтому особую актуальность приобретают задачи получения оксидных структур микро- и наномасштаба. Основным процессом для получения микроструктур является литография. Литографический процесс должен обеспечить создание на полупроводниковой пластине определенного топологического рельефа при помощи специального материала – резиста, чувствительного к определенному виду излучения (лазерному, рентгеновскому, электронному и т.д.). Ранее было показано [6], что перспективными для разработки резистов являются метастабильные аморфные пленки диоксида ванадия, получаемые методом анодного окисления
и имеющие высокую чувствительность к фотонному и электронному облучениям. Важным свойством подобного резиста является то, что будучи неорганическим материалом, после экспонирования он демонстрирует высокую плазмо- и термостабильность, существенно рас-
ширяя возможности литографического процесса. Одним из основных преимуществ литографического процесса с использованием оксидно-ванадиевого резиста является то, что он также может использоваться как активный материал оксидной структуры.

Цель работы: Выявление основных закономерностей энергонезависимого бистабильного электрического переключения в структурах
на основе оксидов ванадия, перспективных для разработки универсальной компьютерной памяти. Разработка новых литографических методик на основе неорганических оксидных резистов для получения микро-
и наноструктур с эффектом переключения.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые:

  1. Исследованы процессы ионного транспорта в пленочных структурах на основе водородной ванадиевой бронзы, приводящие к обратимым переходам между двумя резистивными состояниями.
  2. На примере структуры Mo-V2O5-Mo показана возможность реализации биполярного переключения с памятью, основанного на модификации поверхностного слоя оксида за счет дрейфа ионов кислорода под действием электрического поля.
  3. Показано, что в результате электрической формовки структуры Si-SiO2-V2O5-Аu возможна реализация бистабильного электрического переключения с эффектом энергонезависимой памяти, обусловленного локальной миграцией кислорода в пленке оксида ванадия, что обеспечивает стабильную работу переключателя с числом циклов достаточным для разработки универсальной памяти.

Научно-практическая значимость работы определяется тем,
что в ней:

  1. Исследованы эффекты бистабильного переключения в структурах на основе аморфного оксида ванадия, перспективные для использования в современных запоминающих устройствах.
  2. Предложен новый неорганический резист на основе метастабильного пентаоксида ванадия обладающего чувствительностью к уль-
    трафиолетовому облучению низкой интенсивности. Тонкие пленки метастабильногоV2O5 могут быть использованы в качестве неорганического резиста для получения микроструктур перспективных для разработки универсальной памяти.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Особенности ВАХ структур V-HxVO2-Au (гистерезис, N-образное отрицательное дифференциальное сопротивление) обусловлены дрейфом протонов в условиях наличия контакта, блокирующего ионный перенос.
  2. Эффект переключения с памятью в структурах металл – оксид – металл на основе аморфного пентаоксида ванадия обусловлен модификацией электрических свойств тонкого переходного слоя на одной из границ оксид – электрод за счет дрейфа ионов кислорода, приводящего к изменению концентрации кислородных вакансий в приэлектродной области.
  3. В структуре Si-SiO2-V2O5-Аu после электрической формовки, приводящей к образованию наноразмерного канала Si в диэлектрической матрице SiO2, наблюдается электрическое переключение с памятью. Эффект переключения определяется обратимым изменением сопротивления тонкого переходного слоя на границе оксид ванадия – кремний за счет электрополевой миграции ионов кислорода, сопровождающейся изменением концентрации кислородных вакансий.
  4. Под действием стационарного ультрафиолетового облучения низкой интенсивности в тонких пленках аморфного пентаоксида ванадия происходит изменение оптических свойств и химической активности. Изменение химической активности позволяет использовать оксидные пленки как неорганический резист для литографического процесса получения компонентов оксидной электроники.

Апробация работы: Основные результаты работы были доложены
на Congress on Nano Science and Technology ( IVC -17/ICSS-13, ICN +T2007, NCSS -6/ NSM -22/ SVM -4) (Stockholm, 2007 г.), III Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" (Воронеж, 2006 г), XXVI совещании по физике низких температур НТ-34 (Ростов на Дону, 2006 г.), Десятой Международной научной конференции и школt-семинарt "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" ПЭМ-2006 (Дивноморское, 2006 г.), V Международной конференции «Аморфные
и микрокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2006 г.), X Международной конференции “Диэлектрики-2004” (Санкт-Петербург, 2004 г.).

Основные результаты опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций, перечень которых приведен в конце автореферата.

Вклад автора. Все экспериментальные исследования проведены
за период 2003–2009 г. при непосредственном участии автора, которым сформулированы и обоснованы все задачи диссертации. Часть работ были проведены в Королевском Технологическом Институте (KTH, Стокгольм, Швеция), совместно с аспирантом А. Б.Черемисиным. В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 126 стр., включая 51 рисунок, 2 таблицы и 102 наименования библиографических ссылок на 9 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, научная новизна, научно-практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту, определяется научная новизна и практическая ценность работы, приводится список публикаций по теме диссертации.

Глава 1 содержит обзор литературных данных о физико-химических свойствах оксидов переходных металлов, и, в частности, оксидов ванадия. Также рассмотрены процессы модификации ОПМ, применение неорганических резистов в литографических процессах, современное положение дел в области разработки резистивной энергонезависимой памяти.

В первом параграфе описаны свойства оксидов переходных металлов. Показано, что ОПМ могут быть перспективными материалами с точки зрения использования их в различных областях техники. Отмечено, что неординарные свойства соединений переходных металлов обусловлены спецификой поведения d-электронов. Малая пространственная протяжённость d-волновых функций приводит к образованию узких зон, а поведение электронов в узких зонах характеризуется сильными межэлектронными
и электрон-фононными корреляциями, т. е. в соединениях dэлементов характерные энергии взаимодействия электронов с фононами и между собой сравнимы с шириной зоны или с кинетической энергией электрона. Одно из ярких проявлений указанных эффектов – явление фазового перехода металл-полупроводник (ФПМП), присущее многим оксидам переходных металлов. ФПМП заключается в резком, значительном
и обратимом изменении свойств материала (прежде всего – величины
и характера температурной зависимости проводимости) при вариации внешних факторов – температуры или давления. Для многих оксидов переходных металлов характерно также явление переключения, связанное с развитием токовых неустойчивостей в сильных электрических полях, приводящих к появлению на вольтамперных характеристиках (ВАХ) участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС).





Во втором параграфе рассматривается модификация свойств оксидов переходных металлов под действием лазерного и электронного излучений. Показано, что подобная обработка эффективно стимулирует процессы окисления, восстановления и кристаллизации. Электрохромный, термохромный и фотохромный эффекты, происходящие в предельных окислах ряда переходных металлов, представлены на примере WO3. Явление электрохромизма в тонких пленках связано с реверсивными процессами инжекции или экстракции катионов (Н+, Li, Na, K и др.)
и электронов в пленке и заключается в обратимом изменении оптических свойств материала (светопропускания, цвета и т.д.). При этом образуются так называемые бронзы – нестехиометрические системы типа КХМO (М = W, Mo, V, Nb, Ti, Ni). Фотохромный эффект также связывается с внедрением катионов, в частности водорода, при стимуляции внешним ультрафиолетовым облучением, с образованием водородных бронз. Показано что воздействие импульсного лазера на поверхность некоторых оксидов переходных металлов ведет к образованию кислородных вакансий, и сдвигу спектра поглощения, наблюдаемому при электро- и фотохромном эффекте, но по своей природе являющееся термическим эффектом. Рассмотрены проблемы процесса вакуумного термического восстановления V2O5 до более низких оксидов, в том числе
и VO2, обладающего ФПМП и эффектом переключения.

В третьем параграфе анализируются основные этапы и проблемы литографического процесса. Описаны основные виды применяющихся как органических, так и неорганических резистов. Кроме того, представлен неорганический электронный резист на основе анодных оксидных пленок ванадия. Показано, что аморфные слои оксидов ванадия, получаемые методом анодного окисления, можно применять в качестве неорганического резиста для литографии с разрешением меньшим, чем 100 нм [6]. Описана технология химического жидкофазного и сухого плазменного травления резиста. Недостаток использования анодных пленок в качестве резиста сводится к наличию металлического подслоя ванадия приводящего к необходимости проведения двухэтапного проявления: сначала анодной пленки, а затем подслоя ванадия. С этой точки зрения перспективной является получение окиснованадиевого резиста без подслоя металлического ванадия, что позволяет рассматривать данное соединение как однослойный материал, не требующий применения многоступенчатой процедуры проявления.

В четвертом параграфе приводится анализ научно-технической литературы, посвященной резистивной памяти на основе ОПМ. На основании особенностей ВАХ, переключение условно разделяется на два типа: униполярное и биполярное. Кроме того структуры, обладающие резистивным переключением, могут быть классифицированы по локализации переключения в структуре оксида. Так униполярное переключение выглядит как переход от относительно однородного распределения тока
по площади образца в высокоомном состоянии к канальной проводимости в низкоомном состоянии. Полной ясности в механизме формирова-
ния и разрыва проводящих шнуров в диэлектрической оксидной матрице не существует. В биполярном переключении основной резистивный
переход локализован на границе раздела между одним из электродов
и оксидом, то есть носит явный поверхностный характер. Основными моделями для описания механизма поверхностного резистивного переключения являются: электрополевая диффузия кислородных вакансий
и долговременный захват носителей на ловушки [7].

В заключении главы конкретизированы основные задачи диссертационной работы.

Глава 2 представляет собой описание технологии получения образцов и методик экспериментальных исследований.

В первом параграфе описаны технологические приемы подготовки поверхности диэлектрических и полупроводниковых подложек. Представлены описания установок для напыления аморфных пленок пентаоксида ванадия. В частности, для получения тонких пленок аморфного V2O5 применялись методы термического вакуумного напыления и лазерной абляции керамической мишени V2O5. Термическое распыление порошка V2O5 производилось при помощи дозатора, входящего в стандартный комплект оборудования ВУП-5. Для распыления использовались три типа лодочек: Ta, Mo и Al2O3 (со встроенным W нагревателем). Расстояние между лодочкой и подложкой составляло 10–12 см при температуре лодочек ~800 °C. Для абляции V2O5 мишени использовался KrF (=248nm) эксимерный лазер (Lambda Physik 300), длительность импульса которого составляла 20нс. Энергия и частота лазера в процессе абляции составляли 200мДж и 10Гц, соответственно. Плотность энергии излучения на поверхности мишени при этом составляла ~4Дж/см2

Кроме того, в данном параграфе приведены описания методик
получения пленок пентаоксида ванадия методами лазерной абляции
и термического осаждения, дающие метастабильные в структурном
и химическом (нестехиометрические) аспектах материалы. Подобные оксидные фазы проявляют высокую чувствительность к ультрафиолетовому и электронному облучениям.

Также в этом параграфе описана методика создания аморфных пленок гидратированного оксида ванадия методом анодно-катодной поляризации. Приведен состав электролита на основе бензойной кислоты (С6Н5СООН)) и перенасыщенного водного раствора буры (Na2B4O7 10H2O), а также временные зависимости напряжения в гальваностатическом режиме на этапе анодирования и катодирования.

Во втором параграфе описана аппаратура для фотонной и электронной обработки пленок. Для ультрафиолетовой модификации пленок использовались длины волн 254 нм и 405 нм. Облучение на длине волны 254нм, осуществлялось с помощью UVC-лампы OSRAM HNS 15W OFR. Образец помещался под лампу, находящуюся в закрытом шкафу,
на время 5–20 мин. Экспозиция на длине волны 405 нм с интенсивностью 20 мВт/см2 выполнялась при нормальных условиях через маску
в установке позиционирования масок Karl Suss MA6/BA6. Источником ультрафиолетового излучения являлась 350Вт Hg лампа.

Для лазерной модификации аморфных пленок использовался KrF эксимерный лазер (COMPEX-102), имеющий следующие характеристики:
= 248нм, длительность импульса 20нс, площадь пятна: 2 см2. Энергии варьировались от 100 мДж/импульс до 200 мДж/импульс. Экспозиция производилась в одно- или двухимпульсном режиме. Для электронно-лучевого воздействия использовался сканирующий электронный микроскоп SEM, Zeiss DSM – 942. Качество поверхности пленок и рельеф, получаемый в результате селективного травления, исследовались методами атомно-силовой (АСМ) и электронной микроскопии.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.