Электронное управление переходом металл - изолятор тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Стефанович, Денис Генрихович

• Стефанович, Денис Генрихович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Стефанович, Денис Генрихович

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР И ЭФФЕКТ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДАХ ВАНАДИЯ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

2.1. ПЕРЕХОД МЕТАЛ - ИЗОЛЯТОР. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

2.2. ТЕОРИЯ ПЕРЕХОДА МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР.И

2.3. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР В ОКСИДАХ ВАНАДИЯ.

2.4. ВЛИЯНИЕ ИА ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ.

2.5. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

2.6. ТЕОРИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ.

2.7. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ В ДВУОКИСИ ВАНАДИЯ.

2.8. ВЛИЯНИЕ НА ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ - ИЗОЛЯТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ.

2.9. ВЫВОДЫ ИЗ ОБЗОРА ЛИТЕРАТУРЫ.

3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

3.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК.

3.2. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК.

3.3. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК.

3.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

4. ЭЛЕКТРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕХОДОМ МЕТАЛЛ ИЗОЛЯТОР.

4.1. ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ДВУОКИСИ ВАНАДИЯ.

4.1.1. ЭФФЕКТ ПОЛЯ В СТРУКТУРАХ Si- Si02- V02.

4.1.2. ЭФФЕКТ ПОЛЯ В СТРУКТУРАХ Si- Si02-Si3N4-V02.

4.1.3. РАСЧЕТ ПОЛЕЙ И КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ЭФФЕКТЕ ПОЛЯ В ДВУОКИСИ ВАНАДИЯ.

4.1.4. ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ А1 -У02 -Si02-Si-Al.

4.2. ИНЖЕКЦИОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ПЕРЕХОДА МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР.

4.2.1. ТУННЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В У02.

4.2.2. ЛАВИННАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В V02.

4.2.3. ЛАВИННАЯ ИНЖЕКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В СЭНДВИЧ СТРУКТУРАХ SI-SI02-V-V02.

4.3. ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА НА ПМИ.

5. МИКРО- И НАНОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ВАНАДИЯ С ПЕРЕХОДОМ МЕТАЛЛ-ИЗОЛЯТОР.

5.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ ПО ОКСИДАМ ВАНАДИЯ.

5.2. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ЛИТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

5.3. ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ.

5.4. АНОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ.

5.5. СТРУКТУРА И СОСТАВ АНОДНЫХ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ.

5.6. ЭКСПОНИРОВАНИЕ ОКСИДНОВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА.

5.7. ВЛАЖНОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ ОКСИДНОВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА.

5.8. СУХОЕ ПРОЯВЛЕНИЕ ОКСИДНОВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА.

5.8.1. ПРОЯВЛЕНИЕ ОКСИДНОГО РЕЗИСТА ТРАВЛЕНИЕМ В ПЛАЗМЕ Аг.

5.8.2. ПРОЯВЛЕНИЕ ОКСИДНО-ВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА ПЛАЗМО-ХИМИЧЕСКИМ ТРАВЛЕНИЕМ.

5.8.3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ВАНАДИЯ.

5.9. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ НАНЕСЕНИЯ РЕЗИСТА.

5.10. ПОЗИТИВНЫЙ И НЕГАТИВНЫЙ РЕЗИСТ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ВАНАДИЯ.

5.11. ТРАВЛЕНИЕ КРЕМНИЯ ЧЕРЕЗ МАСКУ ИЗ ОКСИДНО - ВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА.

5.12. КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОКСИДНО ВАНАДИЕВОГО РЕЗИСТА.

5.13. МЕХАНИЗМ МОДИФИКАЦИИ СВОЙСТВ АНОДНЫХ ОКСИДОВ ВАНАДИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОБЛУЧЕНИЯ.

5.14. СУБМИКРОННЫЕ СТРУКТУРЫ Si-Si02- V02.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронное управление переходом металл - изолятор»

Проблема фазового перехода металл - изолятор (ПМИ) является одной из наиболее интересных в физике конденсированного состояния, как в теоретическом плане, так и с точки зрения возможных приложений. Сложность теоретического описания ПМИ в соединениях d-металлов [1] связана с необходимостью детального анализа симметричных свойств атомной структуры, изучения конкретного электронного спектра и влияния на него электрон-электронных и электрон-фононных взаимодействий. В такой ситуации принципиальное значение приобретает вопрос о типе инициирующего механизма (межэлектронное, электрон-фононное взаимодействие). Соответственно, можно выделить два основных подхода к описанию ПМИ - это переход Мотта-Хаббарда и переход с образованием сверхструктуры (волн зарядовой или спиновой плотности).

Если межэлектронные корреляции дают существенный вклад в развитие перехода, т.е. диэлектрическая щель в электронном спектре в значительной степени определяется корреляционными эффектами, то это должно проявляться в прямых экспериментах, например, при реализации ПМИ в электрическом поле или при наличии высокой концентрации неравновесных носителей заряда. Следует отметить, что непосредственно влияния поля на переход трудно ожидать: речь может идти о перераспределении носителей под действием поля или об их инжекции (экстракции). В случае перехода Мотта избыток концентрации свободных носителей заряда должен привести к усилению экранирования и к схлопыванию мотт-хаббардовской корреляционной щели.

Подобные исследования (влияние поля, генерации и инжекции электронов) в настоящее время проводятся в физике высокотемпературных сверхпроводников, фуллеренов и нанотрубок и оказываются весьма информативными [2].

Помимо вышесказанного, актуальность исследований ПМИ обусловлена также очевидными перспективами практических применений, поскольку такие переходы всегда сопряжены с резкими и значительными изменениями физических свойств материалов при малых вариациях внешних параметров, таких как температура, давление, индукция электрического или магнитного поля.

Поэтому работы в указанном направлении актуальны и несут в себе большой прикладной потенциал.

Цель работы заключалась в исследовании перехода металл-изолятор в двуокиси ванадия в условиях высокой концентрации неравновесных носителей, определении на основе полученных результатов и представлений инициирующего механизма развития перехода, и развитии научной базы создания микро и наноструктур реализующих обнаруженные эффекты.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Проведено экспериментальное исследование эффекта поля в двуокиси ванадия, в условиях, когда влиянием тепловых эффектов можно пренебречь.

2. Изучены различные формы инжекции неравновесных носителей заряда в диоксид ванадия и исследовано их влияние на ПМИ.

3. Проведены расчеты полей, концентраций и температур в двуокиси ванадия при эффекте поля и инжекции электронов.

4. Разработаны научные основы литографического процесса получения микро - и наноструктур на основе оксидов ванадия.

Научно-практическая значимость работы определяется тем, что в ней получена новая важная информация, способствующая развитию представлений о механизмах фазового перехода металл-полупроводник в оксидах переходных металлов. В прикладном аспекте обнаруженные эффекты влияния концентрации неравновесных носителей заряда на переход перспективны для создания трехэлектродных структур с двуокисью ванадия, совместимых с кремниевой технологией. Предложенный литографический процесс позволяет изготавливать такие структуры с микро- и наномасштабными размерами.

Основные положения выносимые на защиту.

1.ПМИ может инициироваться ростом поверхностной концентрации электронов за счет эффекта поля в пленке VO2. Эффект поля может реализовываться как поляризацией кремниевой подложки, так и полем заряда, локализованного в диэлектрике, находящимся в контакте с диоксидом ванадия.

2. ПМИ развивается при увеличении концентрации неравновесных носителей заряда за счет туннельной или лавинной инжекции электронов из кремния в диоксид ванадия.

3. Переход по концентрации происходит при достижении последней значения, соответствующего концентрации электронов в полупроводниковой фазе VO2 непосредственно перед переходом, т.е. при Т = Tt (nt ~ 1018 - 1019 см"3).

4. Анализ распределения полей, концентраций и величины токов, текущих при этом через диэлектрик показывает электронную природу инициирующего механизма ПМИ вызванного достижением концентрационного критерия. Близость nt к критерию Мота делает предпочтительным описание инициирующего механизма перехода в условиях высоких концентраций неравновесных носителей на языке сильных электронных корреляций Мотт-Хаббардовского типа.

5. Разработанный литографический процесс по оксидам ванадия делает обнаруженные эффекты перспективными для создания микро- и наноприборов на основе двуокиси ванадия с ПМИ, совместимых с кремниевой электроникой, управляемых процессами в кремниевых структурах и входящих в состав кремниевых микрочипов.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

1. Всероссийской научной конференции по физике / низкотемпературной плазмы (ФНТП-2000), Петрозаводск, 2000 г. \J

2. Девятой международной конференции «Диэлектрики-2000», Санкт-Петербург, 2000 г.

3. Научная сессия МИФИ, 2001 г.

4. Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2001), Петрозаводск, 2001 г. и опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций:

1. G. Stefanovich, A. Pergament, D. Stefanovich Electrical switching and Mott transition in V02.- J. Phys.: Condens. Matter 12, 2000, pp. 88378845.

2. Борисков П.П., Величко А.А., Пергамент A.JI., Стефанович Г.Б., Стефанович Д.Г. Влияние электрического поля на переход металл-изолятор в диоксиде ванадия // ПЖТФ. - 2002. - Т.28. - Вып.10. -С.13 - 18.

3. Стефанович Г. Б., Пергамент АЛ. Стефанович Д.Г. Электронное управление переходом металл - изолятор // Тез. докл. Девятой международной конференции «Диэлектрики - 2000». - Т.2. -Санкт-Петербург, - 2000. - С. 177 - 178.

4. Г.Б. Стефанович, Д.Г. Стефанович. Применение низкотемпературной плазмы для получения структур с электронным управлением переходом металл-изолятор в диоксиде ванадия. // Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-98). - Петрозаводск. -1998. - с.604-606.

5. Г.Б. Стефанович, Гуртов В.А., Д.Г. Стефанович. Неорганический резист для субмикронной литографии на основе аморфного оксида ванадия. // Тез. докл. Научной сессии МИФИ-2001, 22-26 января 2001 г. - Москва.-- Т. 1. - с.32. 7

6. Пергамент A.J1., Стефанович Г.Б., Величко А.А., Стефанович Д.Г., Шраер М. Сухое проявление резиста на основе оксида ванадия травлением в плазме // Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-2001). -Петрозаводск. - 2001. - с.169-172.

7. Стефанович Г.Б., Величко А.А., Стефанович Д.Г. Плазменные процессы в субмикронной литографии // Материалы пленарных докладов ФНТП-2001 и лекции школ по физике низкотемпературной плазмы 2000 и 2001 г. - Петрозаводск. - 2001. - с. 162 - 172.

Публикации и вклад автора. Основные результаты изложены в 7 публикациях. Все экспериментальные исследования проведены за период 1996 - 2002 г. при непосредственном участии автора. Основные теоретические представления сформулированы и обоснованы автором. Результаты главы 4 были получены автором в фирме APT (Applied Phase Transition).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 3 разделов, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 145 стр., включая 62 рисунков на 48 стр., 3 таблицы и 101 наименований библиографических ссылок на 9 стр.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Стефанович, Денис Генрихович

2.9. ВЫВОДЫ ИЗ ОБЗОРА ЛИТЕРАТУРЫ.

Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ по ПМИ в окислах d-металлов, вопрос о механизме перехода в большинстве случаев остаётся открытым. Пролить свет на данную проблему могли бы исследования развития ПМИ в условиях влияния принципиально новых факторов. К таким факторам можно отнести избыточную концентрацию свободных носителей заряда, однако имеющиеся в литературе данные на эту тему немногочисленны и противоречивы.

Оценки концентраций неравновесных электронов, которые могли бы влиять на переход, противоречивы. Можно считать, что они лежат в

1 О О "У диапазоне от 10" (критерий Мотта) до 10" (концентрация электронов в металлах). Нижний предел этих оценок в настоящее время достижим только при реализации эффекта поля с использованием совершенных диэлектриков с высокими значениями электрической прочности, типа высококачественных слоев Si02 в кремниевых структурах. Другой путь заключается в реализации туннельной или лавинной инжекции в структурах на основе Si. Верхний предел, видимо, вообще не достижим при электрическом возбуждении электронной системы.

Следовательно, объектами исследования для решения поставленных задач могут быть гибридные структуры на основе кремния и двуокиси ванадия.

Отметим также, что обратимые изменения физических свойств при ПМИ, их технологичность и стабильность, делают оксиды переходных металлов (особенно в тонкопленочном исполнении) потенциальными для технических приложений материалами. Разработка структур, в которых свойства материалов с ПМИ будут согласованы с возможностями кремниевой электроники делает их по настоящему актуальными и перспективными.

3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.

3.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК.

В данном разделе описаны технологические приемы подготовки поверхности диэлектрических и полупроводниковых подложек. Методы физико-химической обработки включали предварительную и финишную очистку поверхности от механических, органических и неорганических загрязнений [84]. Механические загрязнения удалялись гидромеханической промывкой с применением бязевых и батистовых лент, колонковых кистей. Очистка от органических загрязнений производилась в жидкой или парогазовой среде с интенсификацией процесса механической обработки поверхности подложек ультразвуком (УЗВ) и включала в себя:

- обезжиривание в кипящих органических растворителях (ацетон, азеотропная смесь четыреххлористого углерода с 18% изопропилового спирта);

- обработка в парах горячих растворителей (бензол) или УЗВ-обработка в органических растворителях;

- промывка в горячей дистиллированной воде;

- сушка горячим воздухом.

Для получения структур типа Si - пленка ОПМ перед осаждением металлических или оксидных пленок применялось травление кремниевых подложек в травителе следующего состава: HNO3: HF: СН3СООН (3:1: 1). Травление производилось при комнатной температуре в течении 1 - 2 мин.

После очистки на подложки производилось осаждение пленок, в случае необходимости они хранились в эксикаторе.

Для получения микро и наноструктур методом электронно-лучевой литографии применялись стандартные для микроэлектроники процедуры очистки. Они будут подробно описаны в 5 разделе.

3.2. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК.

Для получения металлических прекурсоров, контактов, отражающих подслоев многослойных интерференционных структур и т.д. применялись методы термического напыления и магнетронного распыления в вакууме. Пленки Al, Ni, Fe, Си и нихрома были получены термическим напылением с применением резистивных проволочных вольфрамовых нагревателей. Процесс был реализован в вакуумном посте, средства откачки которого (последовательно включенные диффузионный и форвакуумный насосы) обеспечивали давление остаточных паров не выше 10~5 мм.рт.ст. Очистку поверхности вольфрамовых испарителей производили химическим травлением в 20% растворе гидроокиси калия с последующей промывкой в дистиллированной воде, затем испарители прокаливались в вакууме.

Пленки металлического V осаждались методами термического напыления с электронно-лучевым (ЭЛ) разогревом и магнетронного распыления. При этом принимались во внимание особенности используемого технологического оборудования: ЭЛ напыление обеспечивало нанесение более толстых металлических пленок (до 5000А) с достаточной адгезией к подложке, магнетронное напыление обеспечивало получение однородных пленок на подложки большой площади (до 5см ). Процессы были реализованы в промышленных вакуумных постах ВУП-5 (ЭЛ напыление) и ВУП-5М (магнетронное распыление). ЭЛ напыление производилось из модернизированного 2 кВт испарителя, организованного по принципу "свободной капли" [85]. Режимы магнетронного распыления ионами Аг+ на постоянном токе были оптимизированы подбором значений О разрядного напряжения Up и давления аргона Рр (Up - 500 В, Рр « 1-10" Тор., разрядный ток при этом 1р » 450 мА).

3.3. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК.

Для синтеза оксидных пленок использовалось 3 метода: магнетронное реактивное распыление, золь-гель технология и анодное окисление.

Процесс магнетронного реактивного распыления был реализован в вакуумном посте ВУП-5М, система откачки которого состояла из последовательно включенных форвакуумного и диффузионного насосов и позволяла получать вакуум до 2-10"5 мм.рт.ст., что являлось достаточным для очистки рабочей камеры от нежелательных примесей. В качестве магнетронной системы (рис. 3.1) использовался планарный кольцевой магнетрон на постоянном токе. Инертный (Аг) и активный (02) газы подавались в разрядный промежуток раздельно - кислород в зону подложки, аргон ближе к мишени. Подложка, расположенная на расстоянии 40 - 50 мм, нагревалась резистивным вольфрамовым нагревателем. После окончания распыления производилось охлаждение образцов со скоростью 10-30 К/мин, сопровождающееся постепенным повышением давления кислорода в вакуумной камере до атмосферного.

Рис. 3.1. Схема реактивного магнетронного распыления.

В ходе разработки технологии нанесения пленок были получено, что режимы осаждения пленок зависят от ряда взаимозависимых факторов из которых можно выделить три основных: скорость осаждения, температура подложки и парциального давления кислорода (Р0). Для получения пленок при низких температурах, при которых воздействие на границу Si - Si02 минимально, распыление необходимо проводить при низких Р0. При этом наилучшие режимы для получения V02 были следующие. Температура подложки 400-550 °С. Общее давление смеси газов 1-5-10"3, при этом \] кислорода должно быть 1-5 %. Электрический режим работы магнетрона: 1=250-300 мА, IX350-400B.

При получении микро и наноструктур методом электронно-лучевой литографии для осаждения магнетронных реактивных оксидных пленок применялась установка, обеспечивающая безмаслянную откачку рабочей камеры. Она будет подробно описана в 5 разделе.

Для некоторых экспериментов оксидные пленочные образцы (оксиды ванадия) изготавливались по технологии предложенной в [72,73] и представляющей собой одну из модификаций золь - гель метода. Порошок пентаксида ванадия марки Ч (ТУ 6-09-4252-76) плавили в алундовом тигле в муфельной печи (ТПЛ=670°С), расплав нагревали до Т=900 - 1100°С и быстро выливали в воду. При этом образуется однородный гелеобразный раствор коричневого цвета. Этот раствор хорошо смачивает различные подложки (Si, Si02 , стекло, ситалл) и растекается, образуя однородную по толщине жидкую плёнку. Кроме того, возможно нанесение пленок методом центрифугирования. После высушивания на подложке образуется твердая пленка состава V205 • nH20, где п определяется температурой сушки и временем хранения пленки. Термическая обработка таких пленок в вакууме или в восстановительной атмосфере приводит к образованию низших оксидов - У20з, V02. Особо отметим, что после высушивания, напыления А1-электродов и электрической формовки в таких пленках легко создаётся канал У02.

Анодное окисление (или анодирование) ванадия проводилось в установке, схема которой изображена на рис. 3.2. При пропускании тока через электрохимическую ячейку, в которой окисляемый образец является анодом, происходит перенос ионов кислорода из электролита в металл и образование на его поверхности анодной оксидной пленки (АОП). Анодирование осуществлялось как в гальваностатическом (ГС), так и в вольтстатическом (ВС) режимах, т.е. при постоянном токе или при постоянном напряжении на ячейке, соответственно. 3

Рис. 3.2. Схема анодного окисления. 1. Блок питания (Б5-52, ТЭС-9). 2.

Амперметр (В7-27). 3. Вольтметр (В7-34). 4. Двухкоординатный самописец (Н307). 5. Электрохимическая ячейка. 6. Анод (окисляемый металл). 7. Катод (никель, нержавеющая сталь). 8. Противоэлектрод (Pt проволока в стеклянном капилляре). 9. Магнитная мешалка.

В качестве электролитов использовались безводные растворы, состав которых приведен в таблице 3.1. Применение безводных электролитов обусловлено высокой реактивностью анодных оксидов ванадия при взаимодействии с водой.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В соответствии с поставленной задачей экспериментально и теоретически исследовалось развитие перехода металл - изолятор и токовых неустойчивостей в двуокиси ванадия входящей в состав структур Si-Si02-VO2 и Si-Si02-Si3N4-V02 в условиях влияния избыточной концентрации неравновесных носителей заряда. На основе полученных результатов и представлений можно сделать ряд выводов об инициирующем механизме перехода, а также предложить пути использования обнаруженных эффектов в интегральной с кремнием электронике.

1.ПМИ может инициироваться ростом поверхностной концентрации электронов за счет эффекта поля в пленке У02. Эффект поля может реализовываться как поляризацией кремниевой подложки, так и полем заряда, локализованного в диэлектрике, находящимся в контакте с диоксидом ванадия.

2. ПМИ развивается при увеличении концентрации неравновесных носителей заряда за счет туннельной или лавинной инжекции электронов из кремния в диоксид ванадия.

3. Переход по концентрации происходит при достижении последней значения, соответствующего концентрации электронов в полупроводниковой

18 фазе V02 непосредственно перед переходом , т.е. при Т = Tt (nt ~ 10

1019см'3).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Стефанович, Денис Генрихович, 2002 год

1. Мотт Н.Ф. Переходы металл-изолятор. - М.: Наука, 1979. 342 с.

2. J. Н. Schon, М. Dorget, F. С. Beuran, X. Z. Zu, Е. Arushanov, С. Deville Cavellin, М. Lagu£s. Superconductivity in CaCu02 as a result of field-effect doping. Nature. У. 414, 2001. p. 434-436.

3. Eliashberg G.M. Mott transition and superconductivity.- Ann. Phys. Fr., v.19 (1994), p.353-366.

4. Мотт Н.Ф., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. в 2-х т. М.: Мир, 1982. - 663 с.

5. Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. М.: Мир, 1974. 472 с.

6. Seiichi Kagoshima. Peierls Phase Transition.- Jap. J. Appl. Phys. 1981, v.20, N9, p.1617-1634.

7. Зайцев P.O., Кузьмин E.B., Овчинников С.Г. Основные представления о переходах металл-изолятор в соединениях 3d-nepe-ходных металлов.- УФН, 1986, т. 148, N 4, с.603-636.

8. Пайерлс Р. Квантовая теория твёрдого тела. М.: Изд. иностр. лит., 1956.-259 с.

9. Келдыш Л.В., Копаев Ю.В. Возможная неустойчивость полуметаллического состояния относительно кулоновского взаимодействия. ФТТ, 1964, т.6, N9, с.2791-2799.

10. Ю.Лосева Г.В., Овчинников С.Г., Петраковский Г.А. Переход металл-диэлектрик в сульфидах Зd-мeтaллoв. Новосибирск: Наука, 1983. 144 с.

11. П.Кофстад П. Отклонение от стехиометрии, диффузия и электропроводность в простых окислах металлов. М: Мир, 1975. 396 с.

12. Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение.- Л.: Наука, 1978. 187 с.

13. Yethiraj M. Pure and doped vanadium sesquioxide: a brief experimental review. J. Solid State Chem., 1990, v.88, N1, p.53-69

14. Копаев Ю.В., Мокеров В.П. Механизм фазовых переходов в окислах ванадия и титана.- ДАН, 1982, т.264, N6, с.1370-1376.

15. Барышников Ю.Ю., Дроботенко В.В., Захарова С.В., Макин Г.И., Терман М.Ю. Легированные плёнки диоксида ванадия полученные по МОС-технологии. Физика окисных плёнок. Тез. докл. 3-й Всесоюз. науч.конф. - Петрозаводск, 1991, ч.1, с.31.

16. Bruckner W, Gerlach U., Moldenhauer W. et al. Metal-nonmetal transition in Fe- and Al-doped V02 J. Phys. (Paris), 1976, v.37, suppl. N10, p. C4-63 -C4-68.

17. Ланская Т.Г. Фотоспилловер водорода в плёнках оксидов переходных металлов: Автореф. Дисс.канд. физ.-мат. наук. Л, 1991. - 19 с.

18. Buhling D., Burger W. Widerstand Temperaturcharacteristik und Schichtstructur dunner Vanadium dioxide - Schichten.-Hermsdorf. Techn. Mitt, 1976, v. 16, 1 45, p. 1424.

19. Rao C.N.R, Subba Rao G.V. Electrical conduction in metal oxides. Phys. Stat. Solidi (a), 1970, v.l, p. 597-652.

20. Мокеров В.Г, Бегишев А.Р., Игнатьев А.С. Влияние отклонения от стехиометрического состава на электронную структуру и фазовый переход металл-изолятор в двуокиси ванадия.- ФТТ, 1979, т.21, N 5, с.1482-1488.

21. Joffa Е.А., Adler D. Theory of temperature induced Mott transition.-Phys. Rev. B, 1979, v.20, N10, p.4044-4059.

22. Buhling D., Burger W. Widerstand Temperaturcharacteristik und Schichtstructur dunner Vanadium dioxide.- Schichten.-Hermsdorf. Techn. Mitt., 1976, v. 16, № 45, p. 1424.

23. Verleur H.W., Barker A.S., Berglimd C. N. Optical properties of V02 between 0.25 and 5 eV.- Phys. Rev., 1968, v. B172,p.788.

24. Гербштейн Ю.М., Смирнова T.B., Теруков Е.И., Чудновский Ф.А. Особенности оптических свойств пленок двуокиси ванадия вблизи фазового перехода полупроводник-металл. ФТТ, 1976, т. 18, с. 1503.

25. Бегишев А.Л., Галиев Г.Б., Игнатьев А.С., Мокеров В.Г. Влияние нарушений периодичности кристаллической решетки на фазовый переход металл-полупроводник. ФТТ, 1978, т.20, № 6, с. 1643.

26. Величко В.Я. Влияние ионного облучения на фазовый переход в двуокиси ванадия. дисс.канд. физ.-мат. наук. - Л, 1983. - 230 с.

27. Kennedy T.N, Mackenzie J.D. Suppression of the semiconductor-metal transition in vanadium oxides.- J. Non-Cryst. Sol., 1969, v.l, p.326.

28. Chudnovskii F. A., Stefanovich G.B. Metal- insulator phase transition in disordered VO2 . J. Sol. St. Chem.- 1992,- V. 98.- P.137-145.

29. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.

30. Костылев С.А., ШкутВ.А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1978. 203 с.

31. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. М.: Мир, 1991.-670 с.

32. Adler D., HenischH.K., MottN.F. Threshold switching in amorphous alloys Rev. Mod. Phys, 1978, v.50, p. 208-221.

33. Сандомирский В.Б., Суханов А.А. Явления электрической неустойчивости (переключение) в стеклообразных полупроводниках. -Зарубежная радиоэлектроника, 1976, N 9, с. 68-101.

34. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А., Цэндин К.Д. Электронно-тепловая природа низкоомного состояния, возникающего при переключении в ХСП. -ФТП, 1981, Т.15, N 2, с.304-310.

35. A1-Ramadhan F.A.S., Hogarth С. A. Observation and compositional studies of the metallic conducting filaments in the ON state of Si0/V205 thin films used as memory elements. J. Mater. Sci., 1984, v. 19, p. 1939-1946.

36. Ray A.K., Hogarth C.A. A critical review of the observed electrical properties of MIM devices showing VCNR.- Int. J. Electronics, 1984, v.57, N1, p.1-78

37. Pagnia H., Sotnik N. Bistable switching in electroformed MIM devices-Phys. Status Solidi A, 1988, v.108, N1, p.l 1-65.

38. Гершензон E.M., Гольцман Г.Н., Дзарданов А.Л., Елантьев А.И., Зорин М.А., Маркин А.Г., Семёнов А.Д. S-N-переключение сверхпроводниковых плёнок ниобия и YBCO. СФХТ, 1992, т.5, N12, с.2386-2402.

39. Козырев А.Б., Самойлова Т.Б., Шаферова С.Ю. Быстрое токовое S-N переключение плёнок УВа2Сиз07.х и его применение для амплитудной модуляции СВЧ сигнала. СФХТ, 1993, т.6, N4, с. 823-837.

40. Вороненко А.В., Ушаткин Е.Ф., Урсуляк Н.Д., Тагер А.С. Отрицательное дифференциальное сопротивление контакта сверхпроводящих керамик. СФХТ, 1989, т.2, N5, с.91-96.

41. Warren A.C. Reversible thermal breakdown as a switching mechanism in chalcogenide glasses. IEEE Trans. Electron Dev., 1973, v.ED-20, N2, p.123-131.

42. Thomas D.L., Male J.C. Thermal breakdown in chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1972, v.8-10, p.522-530.

43. Kroll D.M. Theory of electrical instabilities of mixed electronic and thermal origin. -Phys. Rev. B, 1974, v.9, N4, p. 1669-1706.

44. Сандомирский В.Б, Суханов A.A, Ждан А.Г. Феноменологическая теория концентрационной неустойчивости в полупроводниках. -ЖЭТФ, 1970, т.58, N5, с.1683-1694.

45. Бондаренко В.М. Кинетические явления в кислородсодержащих ванадиевых соединениях. дисс.докт. физ.-мат. наук. Вильнюс, 1991.- 305 с.

46. Jackson J.L, Shaw М.Р. The form and stability of I-V characteristics for ideal thermal switching. Appl. Phys. Lett, 1974, v.25, N 11, p.666-668.

47. Gildart L. Bistable switching and the Mott transition. J. Non-Cryst. Solids, 1970, v.2, p. 240-249.

48. Makys V, Noga M. Dunamics of threshold switching in amorphous alloys. -Czech. J. Phys, 1979, v.B29, N 12, p.1407-1413.

49. Резницкий JI.А. Химическая связь и превращения оксидов. М.: Изд-во МГУ, 1991.- 168 с.5 6. Von Schulthess G, Wachter P. First observation of photoconductivity in the semiconducting phase of V02. Solid State Comm., 1974, v.15, N 10, p.1645-1649.

50. Mansingh A, Singh R. The mechanism of electrical threshold switching in V02 crystals. J. ofPhys. C. 1980, V.13, N 33, p.5725-5733.

51. Алексеюнас А, Барейкис В, Бондаренко В, Либерис Ю. Флуктуации тока и время переключения в монокристаллах диоксида ванадия. -ФТТ, 1978, т.20, N 7, с. 1980-1984.

52. Мокроусов В.В, Корнетов В.Н. Полевые эффекты в пленках двуокиси ванадия,- ФТТ, 1974, т. 16, N10, с. 3106.3107.

53. Васильев Т.П., Сербинов И.А, Рябова JI.A. Переключение в системе VO2-диэлектрик-полупроводник. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, N8, с.342-344.

54. Serbinov I.A, Ryabova L.A, Savitskaya Ya.S. Phase transition and switching in pyrolytic V02 films. Thin Solid Films. 1975, Y.27, p.171-176.

55. Пергамент А.Л. Эффект переключения в оксидах переходных металлов. дисс.канд. физ.-мат. наук.Петрозаводск, 1994. - 210 с.

56. Remke R.L, Walser R.M, Bene R.W. The effect of interfaces on electronic switching in V02 thin films. Thin Solid Films. 1982, v.97, p.129-143.

57. Таллерчик Б.А, Теруков Е.И, Чудновский Ф.А. Тепловой механизм эффекта переключения в окисленном ванадии. Инженерно-физический Журнал, 1975, т.28, N2, с.257-262.

58. Duchene J. Direct IRmeasurements of filament temperature during switching in vanadium oxide film devices. J. Solid State Chem, 1975, v.l2, 303-306.

59. Serbinov I.A, Ryabova L.A, Savitskaya Ya.S. Phase transition and switching in pyrolytic V02 films. Thin Solid Films. 1975, V.27, p.171-176.

60. Мокроусов B.B, Корнетов В.Н. Полевые эффекты в пленках двуокиси ванадия.- ФТТ, 1974, т. 16, N10, с.3106.3107.

61. Васильев Т.П., Сербинов И.А, Рябова JI.A. Переключение в системе У02-диэлектрик-полупроводник. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, N8,с.342-344.

62. Котлярчук Б.К. Эффект переключения в ванадии, окисленном на воздухе при лазерном облучении. Украинский Физический Журнал. 1979, Т.24, N 11, с.1753-1755.

63. Андреев В.Н., Тимощенко Н.Е., Черненко И.М., Чудновский Ф.А. Механизм формирования переключающих ванадатно-фосфатных стёкол. ЖТФ. 1981, Т.51, N 8, с. 1685-1689.

64. Higgins J.K., Temple В.К., Lewis J.E. Electrical properties of vanadate-glass threshold switches. J. Non-Cryst. Solids, 1977, v.23, p. 187-215.

65. Zhang J.G., Eklund P.C. The switching mechanism in V205 gel films. J. Appl. Phys., 1988, V.64, N 2. p.729-733.

66. Bullot J., Gallias O., Gauthier M., Livage J. Threshold switching in V205 layers deposited from gels. Phys. Status Solidi (a), 1982, v.71, N1, p.Kl-K4.

67. Taketa Y., Furugochi R. Switching and oscillation phenomena in Sn02-V0x-PdO ceramics. Appl. Phys. Lett. 1977, V.31, N 7, p.405-406.

68. Loser W., Mattheck C., Haubenreisser W. Influence of the intrinsic termistor effect in V02 coplanar switching devices. Phys. Status Solidi (a), 1974, v.21, N2, p.487-496.

69. Алексеюнас А., Барейкис В., Бондаренко В., Либерис Ю. Флуктуации тока и время переключения в монокристаллах диоксида ванадия. -ФТТ, 1978, т.20, N 7, с.1980-1984.

70. Андреев В.Н., Аронов А.Г., Чудновский Ф.А. Фазовый переход полупроводник металл в сильном поле в V2O3.- ЖЭТФ, 1971, т.61, N2(8), с.705-713.

71. Валиев К.А., Капаев Ю.В., Мокеров В.Г., Раков А.В. Электронная структура и фазовые переходы в низких окислах ванадия в электрическом поле. ЖЭТФ, 1971, т.60, в.6, с.2175-2185.

72. Левшин Н.Л., Поройков С.Ю. Влияние локальных кулоновских полей на фазовый переход полупроводник-металл в плёнках V02. ФТТ, 1991, т.ЗЗ, N3, с.949-951.

73. Мокроусов В.В., Корнетов В.Н. Полевые эффекты в пленках двуокиси ванадия.- ФТТ, 1974, т. 16, N10, с.3106.3107.

74. Васильев Г.П, Сербииов И.А, Рябова Л.А. Переключение в системе У02-диэлектрик-полупроводник. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, N8, с.342-344.

75. Бугаев А.А, ГудялисВ.В, Захарченя Б.П, Чудновский Ф.А. Селективность фотовозбужденного фазового перехода металл-полупроводник в V02 при инициировании его пикосекундными импульсами. Письма в ЖЭТФ, 1981, т.34, N8, с.452-455.

76. Becker M.F, Buckman А.В, Walser R.M, Lepin Т, Georgies Р, and Brim A. Femtosecond laser exitation of the semiconductor-metal phase transition in V02. Appl. Phys. Lett, 1994, v.65, 42, p. 1507-1509.

77. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. -М.: Радио и связь, 1991, 528 с.

78. Данилин Б.С. Вакуумное нанесение тонких пленок.- М,: Энегрия, 1967, 237с.

79. Keil R.G, Solomon R. Е. Anodization of vanadium in acetic acid solutions. ibidem, 1971, v.118, p.860.

80. Pelleg J. J. Less-Common Metals, 1974, v.35, p.299.

81. Кучис E.B. Методы исследования эффекта Холла,- М.: Сов. радио, 1974.

82. Ping Jin and Sakae Tanemura. Formation and Thermochromism of V02 Films Deposited by RF Magnetron Sputtering at Low Substrate Temperature. Jpn. J. Appl. Phys. Vol.33, 1994, p. 1478-1483.

83. Березовский Г.А, Лукащук Е.И. Термодинамические свойства диоксида ванадия в интервале 6-360 К. Новосибирск, 1990 - 20 с. (Препринт/ Ин-т неорг. химии СО АН: 90-04).91.3и С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984, т.1, 455 с.

84. Rosevar W.H, Paul W. Hall effect in V02 near the semicondactor-to-metal transition.- Phys. Rev. B, 1973, v.4, № 5, p.2109.

85. Гуртов В.А. Электронные процессы в структурах металл-диэлектрик-полупроводник. -Петрозаводск: Изд. Петр.гос.унив, 1984, 115 с.

86. Jonsher А.К, Hill R,M. Electrical conduction in disordered nonmetal films// Phys. Thin Films.-1975, v.8, №1, p.169-249.

87. Peter van Zant. Microchip Fabrication. 3rd ed. McGraw-Hill Companies, 1997.-p.623.

88. Chudnovskii F.A, Pergament A.L, Schaefer D.A, Stefanovich G.B. "Optical medium based on vanadium oxide films."- J. Proc.SPIE, v. 2777, pp. 80-84,(1996).

89. Ильин A.M., Пергамент A.JI, Стефанович Г.Б, Хахаев А.Д, Чудновский Ф.А. "Лазерно-стимулированная модификация свойств оксидов переходных металлов."- Оптика и спектроскопия.- 1997.- т. 82.-№1.- с. 32-38.

90. Стефанович Г.Б. Переход металл изолятор в пленочных структурах на основе оксидов переходных металлов. - дисс.докт. физ.-мат. наук. С.-Петербург, 1998. - 360 с.

91. Алешина Л.А, Малиненко В.П, Стефанович Г.Б,Чудновский Ф.А. Исследование ближнего порядка атомной структуры аморфной двуокиси ванадия //ФТТ. 1988. - Т.30. -N3. - С.914 - 916.

92. Дель Ока С, Пулфри Д.Л, Янг Л. Анодные окисные пленки.- В кн.: Физика тонких пленок, под ред.М.Х.Франкомба и Р.У. Гофмана. -М.: Мир, 1973, т.6, с.7-96.

93. Электронно-лучевая технология в изготовлении микроэлектронных приборов / Под ред. Дж.Р. Брюэра. (пер.с англ). М.: Радио и связь, 1984.-343.