Введение к работе
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=68C 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:
-
Исследованы процессы ионного транспорта в пленочных структурах на основе водородной ванадиевой бронзы, приводящие к обратимым переходам между двумя резистивными состояниями.
-
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.
-
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:
-
Исследованы эффекты бистабильного переключения в структурах на основе аморфного оксида ванадия, перспективные для использования в современных запоминающих устройствах.
-
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:
-
Особенности ВАХ структур V-HxVO2-Au (гистерезис, N-образное отрицательное дифференциальное сопротивление) обусловлены дрейфом протонов в условиях наличия контакта, блокирующего ионный перенос.
-
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.
-
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.
-
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.
