Переключение в тонкопленочных микро- и наноструктурах на основе оксидов переходных металлов с переходом металл-изолятор

• Автор: Величко, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Петрозаводск
• Количество страниц: 155 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР И ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДАХ ВАНАДИЯ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Переход металл-изолятор в оксидах ванадия

1.1.1 Общая характеристика проблемы переходов металл изолятор в соединениях с

металлов

1.1.2 Теоретические модели перехода металл-изолятор

1.1.3 Переход металл-изолятор в оксидах ванадия

1.1.4 Метастабильная аморфная фаза двуокиси ванадия

1.2 Электрическое переключение

1.2.1 Теоретические модели эффекта переключения

1.3 Переключение в структурах на основе диоксида ванадия
1.4 Флуктуационные явления
1.4.1 Фрактальные понятия в нелинейной динамике
1.4.2 Стохастический резонанс
1.4.3 Флуктуации тока в структурах на основе диоксида ванадия
1.5 Выводы из обзора литературы. Постановка задачи
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Методика получения образцов
2.1.1 Подготовка поверхности подложек
2.1.2 Методика получения металлических пленок
2.1.3 Анодное окисление
2.1.4 Получение пленок У02 методом реактивного распыления
2.2 Электрофизические измерения
2.2.1 Измерение вольт-амперных характеристик и формовка
2.2.2 Измерение шумов
2.2.2.1 Запись и обработка сигнала на ЭВМ
2.2.2.2 Измерение флуктуаций периода автоколебаний
2.2.3 Изучение влияния одноосного давления на параметры переключателя

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА
ВАНАДИЯ
3.1 Переключение и ПМИ в сильных электрических полях
3.1.1 Методика проведения численного моделирования
3.1.2 Результат моделирования
3.1.3 Выводы
3.2 Явления хаотической динамики
3.2.1 Экспериментальное наблюдение взрывных шумов
3.2.2 Стохастический резонанс
3.2.3 Генерация стохастических колебаний
3.2.4 Шумы в V - У02 - Ме сэндвич переключателе
3.2.5 Шумы в планарном переключателе
3.2.6 Выводы
3.3 Электрические свойства структур 8і - 8Ю2 - У
3.4 Электрические свойства структур 8і - У02 - Ме
3.5 Влияние давления на параметры переключения в структурах на основе двуокиси
ванадия
4 ПОЛУЧЕНИЕ СТРУКТУР СУБМИКРОННОГО МАСШТАБА
4.1 Получение окиснованадиевого резиста
4.2 Экспонирование окиснованадиевого резиста
4.2.1 Физические основы электроннолучевой модификации
4.3 Проявление окиснованадиевого резиста
4.3.1 Химические методы жидкофазного травления
4.3.2 Электрополировка как метод проявления резиста
4.3.3 Плазмохимическое травление
4.3.4 Конструкции переключателей микро- и наномасштаба
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы: В настоящее время кремниевая электроника успешно решает практически все задачи, возникающие при проектировании и разработке радиоэлектронных устройств. Успехи кремниевой электроники основаны на эффективной технологии изготовления микроструктур высокой степени интеграции. Долгие годы трудно было ожидать не только конкуренции, но и достаточно большого практического интереса к микроструктурам, изготавливаемым с применением иных материалов и реализующих новые физические эффекты. Однако дальнейшая интеграция кремниевых микросхем, увеличение их быстродействия и расширение функциональных возможностей требует огромных затрат и усилий, что приводит к росту интереса к новым материалам с новыми физическими эффектами. Реальной выглядит ситуация, когда разработка новых микроструктур и развитие технологических приемов их получения (даже и с меньшей степенью интеграции, чем в кремниевых микросхемах, но основанных на иных физических эффектах) может быть более выгодна и эффективна, чем дальнейшее развитие кремниевой технологии.
Другое перспективное направление связано с переходом к различным формам трёхмерной интеграции в полупроводниковой электронике. Примером могут служить работы по созданию структур типа кремний на изоляторе (КНИ). Оптимизация технологии КНИ приведёт к созданию многослойных систем, состоящих из большого числа активных областей, разделённых изолирующими слоями. Формирование на каждом уровне различных элементов и функциональных устройств приведёт к дальнейшему увеличению степени интеграции и появлению новых типов приборов, например - приборов, объединяющих на одном кристалле средства обработки (возможно, по нескольким параллельным каналам) и хранения информации.
Одно из направлений развития подобных структур связано с совмещением (в том числе и с применением технологий трёхмерной интеграции) традиционных полупроводников с материалами, в которых проявляются такие яркие физические явления, как, например: сверхпроводимость, различные формы спинового упорядочения в магнитных материалах, оптические и фотоэлектрические процессы в оптически активных веществах, мезоскопические явления, переходы металл-изолятор. Исследование таких гибридных структур имеет прикладной аспект, а именно - новые приложения в микро- и оптоэлектронике. С другой стороны, богатые возможности полупроводниковой технологии позволят более детально изучить некоторые из вышеуказанных фундаментальных явлений.

полевую зависимость Ег (при условии Т = 0, т. е. в отсутствии термической генерации носителей) [80]:
Е6 = Е80-уЕ
(1.14)
где у = рСё/е. Переключение происходит при достижении критического ПОЛЯ Ес = Ер/у. В [80] получено также выражение для времени задержки в предположении, что оно определяется вероятностью образования зародыша металлической фазы:
где ^.время задержки переключения на прямоугольных импульсах, и0 _ амплитуда прямоугольных импульсов.
Необходимо отметить, что теория ЭФП описывает переключение в материалах, в которых переход металл-изолятор в равновесных условиях вообще говоря отсутствует, т. е. хотя и4 —> 0 при некоторой Т = Тц„ но в зависимости е(Т) в слабых полях нет скачка при температуре Тл. То есть данная теория является чисто феноменологической, т. к. исходные посылки (1.10), (1.14) постулируются в ней априорно. В модели же переключения на основе ПМИ, инициированного электронными эффектами, предполагается, что переход в электрическом поле происходит просто при Т < Т(, но при достижении п = пс, т. е. фактически речь идёт о понижении Т, с ростом концентрации свободных носителей. По существу этот механизм переключения является комбинацией моделей критической температуры и ЭФП, причём предполагается, что для данного материала существует некоторая Т(, при которой происходит переход от непроводящего к проводящему состоянию.
Таким образом, концепция перехода металл-полупроводник в различных вариантах достаточно широко используется для интерпретации эффектов переключения. Проблема выбора той или иной модели для описания переключения в конкретном материале связана прежде всего с необходимостью определения относительных вкладов тепловых и электронных эффектов в развитие токовой неустойчивости, т. е. представляет собой достаточно сложную экспериментальную задачу. В настоящее время наиболее распространённой является точка зрения (в основном это относится к аморфным полупроводникам), согласно которой эффект переключения не может иметь чисто тепловую природу. Это подгвержда-
Н ~ ехр (и0/(и - Щ), и0 = сопя!
(1.15)