Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК И ЯВЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДАХ ВАНАДИЯ. ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ 11
1.1 Фазовый переход металл-полупроводник в оксидах ванадия 11
-
Общая характеристика проблемы фазовых переходов металл-полупроводник в соединениях d-металлов 11
-
Теоретические модели фазового перехода металл-полупроводник 14
-
Фазовый переход металл-полупроводник в оксидах ванадия 19
-
Метастабильная аморфная фаза диоксида ванадия .,26
1.2 Электрическое переключение 28
1.2.1 Теоретические модели эффекта переключения 30
-
Переключение в структурах па основе диоксида ванадия 36
-
Выводы из обзора литературы. Постановка задачи 43
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 45
-
Подготовка поверхности подложек 45
-
Методика получения металлических пленок 45
-
Методика получения оксидных пленок 46
-
Анодное окисление 46
-
Магнетронное реактивное распыление , 48
2.4 Электрофизические измерения 52
-
Измерение температурной зависимости проводимости.... 52
-
Измерение вольт-амперных характеристик и формовка 53
-
Измерение вольт-фарадных характеристик 54
2.5 Электронно-лучевая модификация 55
3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА
ВАНАДИЯ 57
-
Эффект поля в Si-Si02-V02 структурах 57
-
Моделирование распределения поля и концентрации в диоксиде ванадия 62
-
Эффект поля в Si-Si02-Si3N4-V02 структурах 73
-
Электрические свойства структур Si - S1O2 - VO2 75
-
Численное моделирование электрических свойств Si-Si02-V02 структур 77
-
Обсуждение результатов и выводы 85
4 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ 87
-
Введение 87
-
Модификация оптических свойств 87
-
Модификация химических свойств 89
-
Модификация электрических свойств 90
-
Обсуждение результатов и выводы 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
ЛИТЕРАТУРА 95
ПРИЛОЖЕНИЕ А 104
Введение к работе
Общая проблематика фазовых переходов металл-полупроводник (ФПМП) достаточно широка и в той или иной мерс находит свое отражение в самых различных областях физики конденсированного состояния. Несмотря на универсализм поведения, системы с ФПМП условно могут быть разделены па две группы по начальному механизму нестабильности основного состояния. В первой группе, изменения в кристаллической решетке (структурный фазовый переход) приводят к расщеплению электронной зоны проводимости и, следовательно, к переходу в полупроводниковую фазу. В другой группе ФПМП удовлетворительно описывается в рамках чисто электронных моделей (например, переход Мотта). Классическими объектами для изучения ФПМП являются оксиды переходных металлов (в частности оксиды ванадия). Однако однозначного представления об инициирующем механизме ФПМП не существует даже для наиболее изученной оксидной системы с ФПМП - диоксиде ванадия. Отметим, что если межэлектронные корреляции дают существенный вклад в развитие перехода, т.е. диэлектрическая щель в электронном спектре низкотемпературной фазы в значительной степени определяется корреляционными эффектами, то это должно проявляться в прямых экспериментах, например, при реализации ФПМП в электрическом поле. Следует отметить, что непосредственно влияния поля на ФПМП трудно ожидать при комнатных температурах, речь может идти о перераспределении носителей под действием поля или об их ипжекции (экстракции), тогда как в низкотемпературной области влияние теоретически доказано [1]. Кроме того, необходимо иметь в виду, что возможно опосредованное действие поля на ФПМП: например, через обратный ньезоэффект, вызывающий искажения решётки, или за счёт выделения тепла, локально повышающего температуру образца.
Возможность влияния электронных эффектов на ФПМП подтверждается тем, что ФПМП в VO2 может быть инициирован импульсами лазерного излучения длительностью 1 пс с hv=I. 17 эВ > Eg V02. Малые времена (10''3 с) развития перехода позволяют утверждать, что эффективного обмена энергией между неравновесными электронами и решёткой за счёт безызлучательной рекомбинации не происходит п, следовательно, можно пренебречь в этом случае эффектами термического разогрева. Действительно, времена диффузии фопонов не могут быть меньше d/v3B = 10" с (d=10"5CM - толщина плёнки, v1l( = 105 см/с - скорость звука). Эти результаты объясняются фотогенерацией электропдырочной плазмы и усилением экранирования, приводящего к схлопывашно мотт-хаббардовской корреляционной щели.
Таким образом, электронные эффекты проявляются при оптическом возбуждении ФПМП и актуально исследовать возможность их проявления при электронном воздействии на оксидные системы.
Представляется важным перенос масштаба исследуемых объектов в область субмикроипых размеров. Для этого необходимо провести моделирование исследуемых структур и процессов происходящих в них.
Необходимо также отметить, что фазовый переход металл-полупроводпик в диоксиде ванадия и обусловленный им эффект электрического переключения перспективны для создания самых разнообразных электронных устройств [1, 2]. В частности проблема создания терагерцового транзистора является на сегодняшний день весьма актуальной. Любое продвижение вперед в развитии кремниевой электропики в настоящем сопряжено с гигантскими материальными и финансовыми проблемами. В такой ситуации становится экономически выгодным разработка электронных компонентов основанных на иных физических принципах и материалах. Все это делает задачу исследования электронных эффектов в структурах на основе диоксида ванадия и поиск путей их использования для разработки приборных структур актуальной и значимой с практической точки зрения.
Цель работы заключалась в исследовании ФПМП и явления электрического переключения в тонкопленочных МОП структурах в условиях влияния высоких полей и концентраций неравновесных носителей. Изучении особенностей динамики электрического переключения в транзисторных МОП структурах на высоких частотах, развитии методов создания микро и наноструктур реализующих обнаруженные эффекты.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые: - Экспериментально исследовались способы управления динамикой переключения Si-Si02-V02 структуры, обладающей S - образной вольтамперной характеристикой (ВАХ).
Проведено численное моделирование протекания переменного тока в структуре Si-Si02-V02, в которой эффект электрического переключения с S-образной ВАХ обусловлен ФПМП в диоксиде ванадия.
Приведены результаты численного расчета распределения поля и концентрации электронов в области пространственного заряда в структурах на основе диоксида ванадия. Показаны особенности полевого управления ФПМП как в прямом так и п обратном направлениях.
Исследована модификация электрических свойств анодных пленок диоксида ванадия под действием электронно-лучевой обработки.
Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в ней получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о ФПМП и явлении электрического переключения в оксидах переходных металлов. В прикладном аспекте МОП структуры па основе оксидов переходных металлов, обладающие переключением с вольтамперпой характеристикой S-типа, перспективны с точки зрения использования их в качестве различных электронных устройств и чувствительных элементов сенсорных систем. Определяется это их малыми размерами, сэндвич-конфигурацией, совместимой с современной интегральной технологией, а также -высоким быстродействием и низкой пороговой мощностью. Определённый интерес для приложений представляют также трёхэлектродные структуры Si - S1O2 - VO2, в которых могут быть реализованы эффекты тиристорного и транзисторного тина. Так же изучены особенности модификации электрических свойств анодных пленок диоксида ванадия иод действием электроннолучевого облучения, полученные результаты могут быть использованы для создания микропереключательных структур с одинаковыми пороговыми характеристиками.
Основные положения выносимые па защиту:
Управление динамикой переключення в структуре Si-Si02-V02 можно осуществлять как подачей напряжения смещения на Si-подложку, так и освещением.
Показана возможность управления динамикой электрического переключения Si-Si02-V02 структуры на высоких частотах (10 -Ю9 Гц), что делает ее перспективным элементом для использования в высокочастотной микроэлектронике в качестве близкого аналога тиристоров и фототиристоров.
В условиях реализации эффекта поля в Si-Si02-V02 структуре, при комнатной температуре и внешних полях порядка 10 -10й В/см, в диоксиде ванадия образуется металлический слой, обусловленный электронно-стимулированным ФПМІІ.
Электронно-лучевая обработка снижает разброс напряжений электроформовки и унифицирует пороговые характеристики переключателей на основе анодных пленок диоксида ванадия.
Апробации работы: Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций:
Кулдин П.А., Величко А.А., Пергамент А.Л,, Стефанович Г,Б., Борисков П.П.. Численное моделирование электрических свойств структуры Si-SiC>2-V02 // ПЖТФ. - 2005. - Т.31. - Вып, 12. - С.63 - 69.
Величко А.А., Кулдип Н.А., Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л. Управление динамикой переключения в структуре Si-Si02-V02 // ПЖТФ. - 2003. - Т.29. --53.
Величко А.А., Казакова Е.Л., Кикалов Д.О., Кулдин И.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Стефанович Д.Г. Электронно-лучевая модификация свойств оксидов переходных металлов // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2004. - Т.6. - №4. - С. 336 - 339.
Величко А.А., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Путролайнсн В.В., Черемисип А.Б., Мануйлов С.А., Кулдип Н.А., Логинов Б.А. // Получение наноструктур на основе оксидов переходных металлов // Нанотехника. № 2. С. 89-95 (2006).
Кулдип Н.А., Величко А.Л. // Эффекг переключения в Si-SiC^-VCb структуре // Тезисы копф. Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики. Москва. 2006. С. 111-112.
Кулдин НА, Величко А А, Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Стефанович Д.Г. // Электронное управление переходом металл-изолятор в двуокиси ванадия // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - N2. - С. 43-45.
1, Величко А.А., Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Стефанович Д.Г., Кулдип Н.А. // Плазмохимичсскос проявление резиста на основе аморфного оксида ванадия // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - N2. - С. 50-52.
Кулдин Н.А., Величко А.А. Управлением переключением в структуре Si-SiC>2-VO2 // Успехи современного естествознания. - 2004. - N4. - С. 44-46.
Величко А.Л., Кулдип Н.А., Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Борисков П.П. Аморфный оксид ванадия - неорганический резист для паиолитографии // Успехи современного естествознания. - 2004. - N4. - С. 53-54.
Кулдип П,А. Электронные эффекты в слоистых структурах на основе диоксида ванадия // 9-я Сапкт - Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. -2004. - С. 24. Kuldin N.A., Velichko А.А., Pergament A.L., Stefanovich G.B. Numerical simulation of the field effect on metal-insulator transition in vanadium dioxide II Physics of electronic materials. - Kaluga. - 2005. - С 209 - 212.
12.Борисков П.П., Величко A.A., Стефанович Г.Б., Кулдин Н.А, //Переход металл-изолятор в наноструктурах с переключением на основе двуокиси ванадия // СП-б. 2004. Дюлектрики-2004. С.245 - 247.
Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Величко А.А., Кулдин Н.А., Борисков П.П. // Аморфный оксид ванадия - новый неорганический резист для микро - и паиолитографии // Тезисы докл. 4-й Мсжд. Конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург. -2004.-С. 307-308.
Борисков П.П., Величко А.А., Кулдин Н.А., Стефанович Г.Б. // Влияние сильного электрического поля на переход металл - изолятор в наноструктурах на основе двуокиси ванадия // Тезисы докл. 4-й Межд. Конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт - Петербург. - 2004, - С. 238 -239. Velichko А.А., Pergament A.L., Stefanovich G.B., Kuldin N.A. II Electronic switching and metal - insulator transitions in compounds of transition metals // 20th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society. Prague.- 2004. -P. 140. Velichko A.A., Kuldin N.A., Stefanovich G.B., Pergament A.L. // Development of vanadium-oxide resist by reactive etching in chlorine plasma // 2011' General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society. Prague. -2004.-P. 263.
Стефанович Г.Б., Стефанович Д.Г., Кулдин П.А., Величко А.А., Пергамент АЛ., Борисков П.П., Путролайнеп В.В. // Альтернативные методы нанесения оксидновападиевого резиста // Тезисы докл. Всероссийской конф. "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск. - 2004. - С. 205 - 208.
Величко А.А., Кулдин Н.А., Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л. // Термо - и фотодатчик па основе структуры Si-Si02-V02 // Тезисы докл. Мсжд. науч. - тех-нич, конф. "Сенсорная электропика и микросистемные технологии (СЕМСТ-1)". 1 - 5 июня. Одесса. 2004. С. 129.
19.Стефанович Г.Б., Величко А.А., Борисков П.П., Кулдин Н.А., Пергамент АЛ., Кикалов Д.О. Электронно-лучевая модификация оксидов переходных металлов // Тезисы докл. Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий. -Обнинск. -2003. -С. 118-119.
20. Стефанович Г.Б., Величко А.А., Борисков П.П., Кулдин Н.А., Пергамент АЛ., Кикалов Д.О. Мстастабильная аморфная фаза оксидов переходных металлов // Тезисы докл. Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий. - Обнинск. - 2003. - С. 116-118.
21.Стефанович Г.Б,, Пергамент АЛ., Величко А.А., Стефанович Д.Г., Кулдип Н.А., Борисков П.П. Аморфный оксид ванадия - резист для нанолитографии // Сбор. Докл. 15-го Межд. Симпозиума «Тонкие пленки в оптике и электронике». Харьков. - 2003. - С. 263-267.
22. Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Стефанович Д.Г., Величко А.А., Кулдин Н.А., Борисков П.П. Получение напокристаллических пленок ванадия и исследование их свойств // Сбор. Докл. 15-го Межд. Симпозиума «Тонкие пленки в оптике и электронике». Харьков.-2003. -С. 77-81.
23.Stefanovich G.B., Velichko А.А., Pergament A.L., Stcfanovich D.G.. Kuklin N.A. Amorphous vanadium oxide; new resist material for nartolithography // Proceedings of the 37 annual conference of the finish physical society. - Helsinki. - 2003. -p.252.
24. Величко A.A., Кулдин I I.A. Электрические свойства структур Si - S1O2 - V02II Тезисы докл. Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным паукам «Ломоносов-2002». - Москва. - 2002. - С. 191.
25.Величко А.А., Кулдин її.А., Мануйлов С.А., Чсремисин А.Б. Влияние давления на переключение в структурах і га основе двуокиси ванадия // Тезисы докл. Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-8). - Екатеринбург. - 2002. - С.248 - 250.
26. Величко А.А., Кулдин П.А., Стефанович Г.Б., Электрические свойства структуры Si - Si02 - VO2 // Тезисы докл. Международной конференции по физике электронных материалов. - Калуга. - 2002. - С.362.
27.Кулдин II.Л., Величко А.А. Фотоиндуцироваптюе изменение электрических свойств структур Si - Si02 - V02 II Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. -2002.-С.252-255.
28. Мануйлов С.А., Величко А.А., Кулдин Н.А., Черсмисин А.Б. Электрические свойства структур Si - V02 - Me // Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. -2002.-С.257-259.
29.Черемисин А.Б., Величко А.А., Кулдин Н.Л., Мануйлов С.А. Датчик с частотным выходом на основе диоксида ванадия // Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. - 2002. - С.276 - 278.
Кулдин П.А., Величко А.А. // Модель переключения в структуре Si-Si02-V02 // Москва, тез. док. ВНКСФ-10. 2004. С. 199 - 201. Boriskov P.P., Pergament A.L., Velichko A.A., Stefanovich G.B., Kuldin N.A.7/ Metal-insulator transition in electric field: A viewpoint from the switching effect 11 Preprint. Condensed Matter. Abstract cond-mat/0603132.
Вклад автора. Все экспериментальные исследования проведены за период 2002 - 2005 г. при непосредственном участии автора, которым сформулированы и обоснованы вес задачи диссертации. В коллективных работах автору принадлежат изложенные в диссертации выводы и защищаемые положения. Численные расчеты проведены автором при содействии к.ф.-м.н. Величко А.А.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 105 стр., включая 41 рисунок, 2 таблицы и 114 наименований библиографических ссылок.
