Электронные эффекты в слоистых структурах на основе диоксида ванадия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Кулдин, Николай Александрович

• Кулдин, Николай Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кулдин, Николай Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК И ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ В ОКСИДАХ ВАНАДИЯ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Фазовый переход металл-полупроводник в оксидах ванадия.

1.1.1 Общая характеристика проблемы фазовых переходов металл-полупроводник в соединениях ^металлов.

1.1.2 Теоретические модели фазового перехода металл-полупроводник.

1.1.3 Фазовый переход металл-полупроводник в оксидах ванадия.

1.1.4 Метастабильная аморфная фаза диоксида ванадия.

1.2 Электрическое переключение.

1.2.1 Теоретические модели эффекта переключения.

1.3 Переключение в структурах на основе диоксида ванадия.

1.4 Выводы из обзора литературы. Постановка задачи.

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Подготовка поверхности подложек.

2.2 Методика получения металлических пленок.

2.3 Методика получения оксидных пленок.

2.3.1 Анодное окисление.

2.3.2 Магнетронное реактивное распыление.

2.4 Электрофизические измерения.

2.4.1 Измерение температурной зависимости проводимости.

2.4.2 Измерение вольт-амперных характеристик и формовка.

2.4.3 Измерение вольт-фарадных характеристик.

2.5 Электронно-лучевая модификация.

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ВАНАДИЯ.

3.1 Эффект поля в 81-8Ю2-У02 структурах.

3.2 Моделирование распределения поля и концентрации в диоксиде ванадия.

3.3 Эффект поля в Б^ЗЮг^з^-УОг структурах.

3.4 Электрические свойства структур Б! - 8Ю2 - \Ю2.

3.5 Численное моделирование электрических свойств Б^Юг-УОг структур.

3.6 Обсуждение результатов и выводы.

4 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ.

4.1 Введение.

4.2 Модификация оптических свойств.

4.3 Модификация химических свойств.

4.4 Модификация электрических свойств.

4.5 Обсуждение результатов и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронные эффекты в слоистых структурах на основе диоксида ванадия»

Актуальность работы:

Общая проблематика фазовых переходов металл-полупроводник (ФПМП) достаточно широка и в той или иной мере находит свое отражение в самых различных областях физики конденсированного состояния. Несмотря на универсализм поведения, системы с ФПМП условно могут быть разделены на 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 инжекции (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 пьезоэффект, вызывающий искажения решётки, или за счёт выделения тепла, локально повышающего температуру образца.

Возможность влияния электронных эффектов на ФПМП подтверждается тем, что ФПМП в УОг может быть инициирован импульсами лазерного излучения длительностью 1 пс с Ьу=1.17 эВ > Е& У02. Малые времена (10*13 с) развития перехода позволяют утверждать, что эффективного обмена энергией между неравновесными электронами и решёткой за счёт безызлучательной рекомбинации не происходит и, следовательно, можно пренебречь в этом случае эффектами термического разогрева. Действительно, времена диффузии фононов не могут быть меньше с1/узв = 10'1()с

1=10"5см - толщина пленки, у1в = 105 см/с - скорость звука). Эти результаты объясняются фотогенерацией электрондырочной плазмы и усилением экранирования, приводящего к схлопыванию 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 субмикронных размеров. Для этого необходимо провести моделирование исследуемых структур и процессов происходящих в них.

Необходимо также отметить, что фазовый переход металл-полупроводник 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 электроники 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 8ь8Ю2-У02 структуры, обладающей 8 - образной вольтамперной характеристикой (ВАХ).

- Проведено численное моделирование протекания переменного тока в структуре БьБЮг-УОг, в которой эффект электрического переключения с Б-образной В АХ 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 в 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 на основе оксидов переходных металлов, обладающие переключением с вольтамперной характеристикой Б-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 81 - ЯЮг - УОг, в которых могут быть реализованы эффекты тиристорного и транзисторного типа. Так же изучены особенности модификации электрических свойств анодных пленок диоксида ванадия под действием электроннолучевого облучения, полученные результаты могут быть использованы для создания микропереключательных структур с одинаковыми пороговыми характеристиками.

Основные положения пыносимые на защиту:

1. Управление динамикой переключения в структуре Б^Юг-УОг можно осуществлять как подачей напряжения смещения на 81-подложку, так и освещением.

2. Показана возможность управления динамикой электрического переключения Б^Юг-УОг структуры на высоких частотах (105-109 Гц), что делает ее перспективным элементом для использования в высокочастотной микроэлектронике в качестве близкого аналога тиристоров и фототиристоров.

3. В условиях реализации эффекта поля в Si-Si02-V02 структуре, при комнатной температуре и внешних полях порядка 105-106 В/см, в диоксиде ванадия образуется металлический слой, обусловленный электронно-стимулированным ФПМП.

4. Электронно-лучевая обработка снижает разброс напряжений электроформовки и унифицирует пороговые характеристики переключателей на основе анодных пленок диоксида ванадия.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в виде статей и тезисов докладов конференций:

1. Кулдин H.A., Величко A.A., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Борисков П.П. Численное моделирование электрических свойств структуры Si-Si02-V02 // ПЖТФ. - 2005. - Т.31. - Вып. 12. - С.63 - 69.

2. Величко A.A., Кулдин H.A., Стефанович Г.Б., Пергамент АЛ. Управление динамикой переключения в структуре Si-Si02-V02 // ПЖТФ. - 2003. - Т.29. -Вып.12.-С.49-53.

3. Величко A.A., Казакова E.J1., Кикалов Д.О., Кулдин H.A., Пергамент A.JI., 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.

4. Величко A.A., Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Путролайнен В.В., Черемисин А.Б., Мануйлов С.А., Кулдин H.A., Логинов Б.А. // Получение наноструктур на основе оксидов переходных металлов // Нанотехника. № 2. С. 89-95 (2006).

5. Кулдин H.A., Величко A.A. // Эффект переключения в Si-Si02-V02 структуре // Тезисы конф. Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики. Москва. 2006. С. 111-112.

6. Кулдин H.A., Величко A.A., 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.

7. Величко A.A., Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Стефанович Д.Г., Кулдин H.A. // Плазмохимическое проявление резиста на основе аморфного оксида ванадия // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - N2. - С. 50-52.

8. Кулдин Н.А., Величко А.А. Управлением переключением в структуре Si-SiCV VO2 // Успехи современного естествознания. - 2004. - N4. - С. 44-46.

9. Величко А.А., Кулдин Н.А., Стефанович Г.Б., Пергамент A.JL, Борисков П.П. Аморфный оксид ванадия - неорганический резист для нанолитографии // Успехи современного естествознания. - 2004. - N4. - С. 53-54.

10. Кулдин II.A. Электронные эффекты в слоистых структурах на основе диоксида ванадия // 9-я Санкт - Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. - 2004. - С. 24.

11.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 // Physics of electronic materials. - Kaluga. - 2005. - C. 209 - 212.

12. Борисков П.П., Величко А.А., Стефанович Г.Б., Кулдин H.A. // Переход металл-изолятор в наноструктурах с переключением на основе двуокиси ванадия // СПб. 2004. Диэлектрики-2004. С.245 - 247.

В.Стефанович Г.Б., Пергамент А.Л., Величко А.А., Кулдин Н.А., Борисков П.П. // Аморфный оксид ванадия - новый неорганический резист для микро - и нанолитографии // Тезисы докл. 4-й Межд. Конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт - Петербург. - 2004. - С. 307 - 308.

14.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.

15. Velichko А.А., Pergament A.L., Stefanovich G.B., Kuldin N.A. // 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.

16. Velichko A.A., Kuldin N.A., Stefanovich G.B., Pergament A.L. // Development of vanadium-oxide resist by reactive etching in chlorine plasma // 20th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society. Prague. -2004.-P. 263.

17. Стефанович Г.Б., Стефанович Д.Г., Кулдин H.A., Величко A.A., Пергамент А.Л., Борисков П.П., Путролайнен В.В. // Альтернативные методы нанесения оксиднованадиевого резиста // Тезисы докл. Всероссийской конф. "Физика низкотемпературной плазмы". Петрозаводск. - 2004. - С. 205 - 208.

18. Величко A.A., Кулдин H.A., Стефанович Г.Б., Пергамент АЛ. // Термо - и фотодатчик на основе структуры Si-Si02-V02 // Тезисы докл. Межд. науч. - тех-нич. конф. "Сенсорная электроника и микросистемные технологии (СЕМСТ-1)". 1 - 5 июня. Одесса. 2004. С. 129.

19.Стефанович Г.Б., Величко A.A., Борисков П.П., Кулдин H.A., Пергамент A.J1., 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 A.A., Борисков П.П., Кулдин H.A., Пергамент A.J1., Кикалов Д.О. Метастабильная 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 A.A., Стефанович Д.Г., Кулдин H.A., 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 A.JL, Стефанович Д.Г., Величко A.A., Кулдин H.A., Борисков П.П. Получение нанокристаллических 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 A.A., Pergament A.L., Stefanovich D.G., Kuldin N.A. Amorphous vanadium oxide: new resist material for nanolithography // Proceedings of the 37 annual conference of the finish physical society. - Helsinki. - 2003. -p.252.

24. Величко A.A., Кулдин II.А. Электрические свойства структур Si - SÍO2 - V02 // Тезисы докл. Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2002». - Москва. - 2002. - С. 191.

25. Величко A.A., Кулдин H.A., Мануйлов С.А., Черемисии А.Б. Влияние давления на переключение в структурах на основе двуокиси ванадия // Тезисы докл. Восьмой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-8). - Екатеринбург. - 2002. - С.248 - 250.

26. Величко A.A., Кулдин H.A., Стефанович Г.Б., Электрические свойства структуры Si - Si02 - V02 // Тезисы докл. Международной конференции по физике электронных материалов. - Калуга. - 2002. - С.362.

27. Кулдин H.A., Величко A.A. Фотоиндуцированное изменение электрических свойств структур Si - Si02 - V02 // Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. -2002.-С.252-255.

28. Мануйлов С.А., Величко A.A., Кулдин H.A., Черемисин А.Б. Электрические свойства структур Si - V02 - Me // Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. -2002.-С.257-259.

29. Черемисин А.Б., Величко A.A., Кулдин H.A., Мануйлов С.А. Датчик с частотным выходом на основе диоксида ванадия // Тез. докл. ВНКСФ-8. - Екатеринбург. - 2002. - С.276 - 278.

30. Кулдин H.A., Величко A.A. // Модель переключения в структуре Si-Si02-V02 // Москва, тез. док. ВНКСФ-10. 2004. С. 199 - 201.

31. 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 effcct // Preprint. Condensed Matter. Abstract cond-mat/0603132. http://arxiv.org/abs/cond-mat/0603132

Вклад автора. Все экспериментальные исследования проведены за период 2002 - 2005 г. при непосредственном участии автора, которым сформулированы и обоснованы все 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 A.A.

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.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Кулдин, Николай Александрович

1.4 Выводы из обзора литературы. Постановка задачи

Резюмируя вышеприведённый обзор работ, посвящённых исследованию ФПМП и переключения в оксидах переходных металлов, можно сделать следующие выводы.

Несмотря на большое число экспериментальных и теоретических работ по ФПМП в оксидах с1-металлов, вопрос о механизме перехода в большинстве случаев остаётся открытым. Пролить свет на данную проблему могли бы исследования развития ФПМП в условиях влияния принципиально новых факторов. К таким факторам можно отнести сильное электрическое поле и (или) избыточную концентрация свободных носителей заряда.

В результате проведенного анализа моделей ФПМП можно сделать вывод, что независимо от конкретного механизма перехода, реализующегося в оксидах переходных металлов, возможность влияния электронных эффектов на ФПМП представляется вполне вероятной.

Особая роль в проблематике фазовых переходов металл-полупроводник принадлежит диоксиду ванадия. Близость температуры перехода металл - полупроводник Т^ к комнатной температуре, значительное изменение практически всех свойств при ФПМП позволяют У02 служить модельным материалом для исследования различных явлений. Можно выделить следующие представляющиеся принципиально важными задачи: влияние на переход освещения, электронной бомбардировки, высоких электрических полей, изучения взаимосвязи ФПМП и переключения в оксидах переходных металлов.

Обратимые изменения физических свойств при ФПМП, их технологичность и стабильность делают оксиды переходных металлов (особенно в тонкопленочном исполнении) чрезвычайно удобными и перспективными материалами как для технических приложений, так и для научных исследований.

Актуальным направлением исследований является разработка новых структур па основе двуокиси ванадия реализующих полевое управление явлением электрического переключения и ФПМП.

Существует необходимость в развитии методов получения микро и наноструктур на основе оксидов переходных металлов, используя явления электронно-лучевой, лазерной и ионной модификации.

Исходя из этих выводов, а также в соответствии с целыо, сформулированной во Введении, в работе решались следующие задачи:

- исследование динамики электрического переключения в 81-8Ю2-У02 структуре и способы управления;

- исследование влияния электронных эффектов па ФПМП в диоксиде ванадия;

- моделирование распределение поля и концентрации носителей при реализации эффекта поля в 81-8Ю2-У02 структуре;

- разработка методики получения микро и наноструктур на основе оксидов переходных металлов, используя явления электронно-лучевой, лазерной и ионной модификации;

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В данном разделе описаны технологические приемы подготовки поверхности диэлектрических и полупроводниковых подложек, методы напыления металлических пленок и методы получения пленок оксида ванадия.

2.1 Подготовка поверхности подложек

Методы физико-химической обработки включали предварительную и финишную очистку поверхности от механических, органических и неорганических примесей. Механические загрязнения удалялись гидромеханической промывкой с применением бязевых и батистовых лент. Очистка от органических примесей 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, азеотрои-ная смесь четыреххлористого углерода с 18 % изопропилового спирта);

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

- промывка в горячей дистиллированной воде;

- сушка горячим воздухом.

Для очистки 8ьподложек применялся растворитель следующего состава: НЫОз: ИР: СНзСООН (3: 1: 1). Травление проводилось при комнатной температуре в течении 1 - 2 мин. Затем подложка промывалась в деионизованной воде.

После очистки в растворителях подложки могли быть подвергнуты отжигу в вакууме в течении 10-30 мин при температуре 250 - 500 °С.

2.2 Методика получения металлических пленок

Для получения металлических контактов применялись методы термического напыления и магнетронного распыления в вакууме. Пленки А1 и Си 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 тугоплавкого металла V получались 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 5000 А) с достаточной адгезией к подложке, магнетронное напыление обеспечивало получение достаточно однородных пленок на подложки большой площади (до 50 см ). 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». Режим магнетронного распыления ионами Аг+ на постоянном токе был оптимизирован подбором значения разрядного напряжения ир и давления аргона Рр (11р« 500 В, Рр« МО-2 мм. рт. ст., разрядный ток при этом 1р« 450 мА).

2.3 Методика получения оксидных пленок

Для синтеза оксидных пленок использовались методы анодного окисления и магнетронного реактивного распыления.

2.3.1 Анодное окисление

Для анодирования использовались жесть, фольга, а так же тонкие металлические пленки, осажденные на различные подложки. После напыления образцы хранились в эксикаторе, с соблюдением предосторожностей, исключающих их загрязнение. Поэтому перед анодированием специальная обработка таких образцов не проводилась. В случае использования жести или фольги, образцы перед анодированием подвергались механической шлифовке, очистке, химической и электрохимической полировке. Электрохимическая полировка ванадия проводилась в 40 %-ом растворе У

П2804 в этаноле при плотности тока 0,5 А/см .

Анодное окисление (или анодирование) проводилось в установке, схема которой изображена на рисунке 2.1, состав электролита приведен в таблице 2 [1]. 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.

После окисления в электролите образцы промывались в ацетоне и высушивались в потоке горячего воздуха. 3

Рисунок 2.1 - Схема анодного окисления. 1 - блок питания (Б5 - 52, ТЭС - 9), 2 -амперметр (В7 - 27), 3 - волгяметр (В7 - 34), 4 - двухкоординатный самописец (Н307), 5 - электрохимическая ячейка, 6 - анод (окисляемый металл), 7 - катод (никель, нержавеющая сталь), 8 - противоэлектрод (Р1 проволока в стеклянном капилляре).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствие с поставленной задачей проведешл исследования перехода металл-изолятор и переключения в тонкопленочных MOM структурах в условиях влияния высоких полей. Проанализирована проблема создания новых полупроводниковых приборов и микросенсоров на основе V02. Получена научно-обоснованная база для создания микро- и наноструктур реализующих обнаруженные эффекты.

Из проведенных экспериментов и теоретического анализа вытекают следующие основные выводы диссертационной работы.

1. Управление динамикой переключения в структуре Si-Si02-V02 можно осуществлять как подачей напряжения смещения на Si-подложку, так и

2. ШЛШ^^исленное моделирование, обнаружена возможность управления динамикой электрического переключения Si-Si02-V02 структуры на высоких частотах (105-109 Гц), что делает ее перспективным элементом для использования в высокочастотной микроэлектронике в качестве близкого аналога тиристоров и фототиристоров.

3. Приведен результат расчета поля и концентрации электронов в области пространственного заряда VO2 в металлической и полупроводниковой фазах. Показаны особенности полевого управления фазовым переходом, как в прямом, так и в обратном направлениях.

4. Электронно-лучевая обработка снижает разброс напряжений электроформовки и унифицирует пороговые характеристики переключателей на основе АОП V.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кулдин, Николай Александрович, 2006 год

1. Стефанович Г.Б. Переход металл-изолятор в пленочных структурах на основе оксидов переходных металлов: Дисс. докт. физ.-мат. наук. // Санкт-Петербург, 1997. -360 с.

2. Пергамент A.JÏ. Эффект переключения в оксидах переходных металлов: Дисс. канд. физ.-мат. наук. // Санкт-Петербург, 1994. 170 с.

3. Sergent D.J, Harper A. Hybrid Microelectronic Handbook. McGraw-Hill Companies. 1996.-P. 582.

4. Мотт Н.Ф. Переходы металл-изолятор. M.: Наука, 1979. - 342 с.

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

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

7. Belitz D., Kirkpatrick T.R. The Anderson-Mott transition // Rev. of Modern Phys., -1994.-V.66.-P.261 -380.

8. Зайцев P.O., Кузьмин E.B., Овчинников С.Г. Основные представления о переходах металл-изолятор в соединениях 3d-nepexofliibix металлов // УФН. 1986. - Т.148. -N4. -С.603 -636.

9. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости / под ред. Гинзбурга B.J1. и Киржница Д.А. М.: Наука, 1977. - 400 с.

10. Изюмов Ю.А. МодельХаббарда в режиме сильных корреляций // УФН. 1995. -Т.165. -N4. -С.403 -427.

11. Грабой Н.Э., Кауль А.Р., Метлин Ю.Г. Химия и технология высокотемпературных сверхпроводников // Итоги науки и техники. Химия твёрдого тела. М.: ВИНИТИ. -1988.-Т.6.-143 с.

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

13. Latge A., Anda E.V., Moran-Lopez J.L. Oxygen disorder and correlation effects on the hole concentration and metal-nonmetal transition in УВагСщОб+х H Phys. Rev. B. -1990. V.42. - N7. - P.4288 - 4297.

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

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

16. Сергеев А.Н. Тугоплавкие оксиды и их соединения в тонком слое. Томск: Изд. Томского университета., 1989. 297 с.

17. Бондаренко В.М. Кинетические явления в кислородсодержащих ванадиевых соединениях: Дисс. докт. физ.-мат. наук. // Вильнюс, 1991. 305 с.

18. Torrance J.B., Lacorro P., Asavaroenghai С., Metzger R.M. Simple and Perovskite Oxides of Transition-Metals: Why Some Are Metallic, While Most Are Insulating // J. Sol. St. Chem.- 1991.-V.90.-P.168- 172.

19. Sergeenkov S., Ausloos M. Probing the field-induced variation of the chemical potential in Bi2Sr2CaCu20(y) via the magneto-thermopower measurements // ЖЭТФ. 1999. - N7. -P.257-263.

20. Изюмов Ю.А., Скрябин Ю.Н. Модель двойного обмена и уникальные свойства манганитов // УФН. 2001. - Т. 171. - Вып.2. - С. 121 - 148.

21. Изюмов Ю.А. МодельХаббарда в режиме сильных корреляций // УФН. 1995. -Т. 165. - N4. - С.403 - 427.

22. Mott N.F. Metal-insulator transition // Proc. Phys. Soc. A62. 1949. - P.416.

23. Кузьмин E.B., Овчинников С.Г. Двухзонпая модель перехода металл-диэлектрик с искажением решетки // ФТТ. 1976. - Т. 18. - N3. - С.750 - 757.

24. Eliashberg G.M. Mott transition and superconductivity // Ann. Phys. Fr. 1994. - V.19. - P.353 - 366.

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

26. Seiichi Kagoshima. Peierls Phase Transition // Jap. J. Appl. Phys. 1981. - V.20. - N9. -P.1617- 1634.

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

28. Келдыш JI.B., Копаев Ю.В. Возможная неустойчивость полуметаллического состояния относительно кулоновского взаимодействия // ФТТ. 1964. - Т.6. - N9. -С.2791 - 2799.

29. Семенов АЛ. Индуцированная постоянным электрическим полем гетерофазная структура на поверхности пайерлсовского металла // ФТТ. 2000. - Т.42. - Вып.6. -С. 1125- 1128.

30. Артеменко С.Н., Волков А.Ф., Зайцев-Зотов С.В. Квазиодномерные проводники с волной зарядовой плотности // УФН. 1996. - Т. 166. - N4. - С.434 - 439.

31. Gruner G. The dtnamics of charge-density waves // Rev. Mod. Phys. 1988. - V60. -N4.-P. 1129-1201.

32. Кулик И.О. О возможности перехода пайерлсовского диэлектрика в металлическое состояние в сильном электрическом поле // ПЖЭТФ. 1975. - Т.22. - Вып.2. - С.73 -76.

33. Электронная структура и фазовые переходы в низких окислах ванадия в электрическом поле / Валиев К.А., Капаев Ю.В., Мокеров В.Г., Раков А.В. // ЖЭТФ. -1971. Т.60. - Вып.6. - С.2175 - 2185.

34. Lee Р.А., Rice Т.М. // Phys. Rev. В19. 1979. - Р.3970.

35. Артеменко С.Н., Волков А.Ф. Полевая деформация электронного кристалла // ЖЭТФ.- 1981.-Т.81.-С.1872.

36. Hrivnak L. A possible model for the switching effects in crystals // Phys. St. Sol. (a). -1973.-V.19.-N1.-P.221 -224.

37. Yethiraj M. Pure and doped vanadium sesquioxide: a brief experimental review // J. Solid State Chem. 1990. - V.88. - N1. - P.53 - 69.

38. Копаев Ю.В., Мокеров В.П. Механизм фазовых переходов в окислах ванадия и титана // ДАН. 1982. - Т.264. - N6. - С.1370 - 1376.

39. Горячев Е.Г., Овчинников С.Г. Электрические и магнитные свойства фаз Магнели Vn02ni // ФТТ. 1978. - Т.20. - N7. - С.2201 - 2209.

40. Idlis B.G., Kopaev Yu.V. On the theory of phase transitions in vanadium oxides Vn02n-i (Magneli phases) // Solid State Comm. 1983. - V.45. - N3. - P.301 - 304.

41. Резницкий JI.А. Химическая связь и превращения оксидов. М.: Изд-во МГУ, 1991.- 168 с.

42. Von Schulthess G., Wachter P. First observation of photoconductivity in the semiconducting phase of V02 // Solid State Comm. 1974. - V. 15. -N10. - P. 1645 - 1649.

43. Berglund C.N., Guggenheim H.J. Electrical properties of V02 near the semiconductor-metal transition // Phys. Rev. 1969. - V. 185. - N3. - P. 1022 - 1033.

44. Molenda J., Stoklosa A. Electronic structure and electrochemical properties of V02 // Solid State Ionics. 1989. - V.36. - N1-2. - P.43 - 52.

45. Berglund C.N., Jayaraman A. Hydrostatic-pressure dependence of the electronic properties of V02 // Phys. Rev. 1969. - V.185. -N3. -P.1034 - 1039.

46. Селективность фотовозбужденного фазового перехода металл-полупроводник в У02 при инициировании его пикосекундными импульсами / Бугаев А.А., Гудялис

47. B.В., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. // Письма в ЖЭТФ. 1981. - Т.34. - N8.1. C.452-455.

48. 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.

49. Афанасьев В.П., Мельников Б.Н., Минина E.B. Свойства плёнок диоксида ванадия на сегнетоэлектрических подложках // Тез. докл. 2-й Всесоюз. науч.конф. «Физика окисных плёнок». Петрозаводск, 1987. - Ч. 1. - С. 10-11.

50. Левшин H.JL, Поройков С.Ю. Влияние локальных кулоновских полей на фазовый переход полупроводник-металл в плёнках V02 // ФТТ. 1991. - Т.ЗЗ. - N3. - С.949 -951.

51. Мокроусов В.В., Корнетов В.Н. Полевые эффекты в пленках двуокиси ванадия // ФТТ. 1974. - Т. 16. - N10. - С.3106 - 3107.

52. Васильев Г.П., Сербинов И.А., Рябова JI.A. Переключение в системе V02-диэлектрик-полупроводник // Письма в ЖТФ. 1977. - Т.З. - N8. - С.342 - 344.

53. Кикалов Д.О. Лазерная и корпускулярная модификация свойств оксидов переходных металлов: Дисс. канд. физ.-мат. наук. // Петрозаводск, 2000. 125 с.

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

55. Костылев С.А., Шкут В.А. Электронное переключение в аморфных полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1978. - 203 с.

56. Adler D., Henisch Н.К., Mott N.F. Threshold switching in amorphous alloys // Rev. Mod. Phys. 1978. - V.50. - P.208 - 221.

57. Сандомирский В.Б., Суханов A.A. Явления электрической неустойчивости (переключение) в стеклообразных полупроводниках // Зарубежная радиоэлектроника. -1976. N9. - С.68 - 101.

58. Коломиец Б.Т., Лебедев Э.А., Цэндин К.Д. Электронно-тепловая природа низко-омного состояния, возникающего при переключении в ХСП // ФТП. 1981. - Т. 15. -N2.-С.304-310.

59. Al-Ramadhan F.A.S., Hogarth C.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. Sei.- 1984.-V.19. -P.1939- 1946.

60. Дирнлей Дж., Стоунхэм А., Морган Д. Электрические явления в аморфных плёнках окислов // УФН. 1974. - Т.112. - N1. - С.83 - 128.

61. Oxley D.P. Electroforming, switching and memory effects in oxide thin films // Electro-compon. Sei. Technol. 1977. - V.3. - N4. - P.217 - 224.

62. 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.

63. Pagnia II., Sotnik N. Bistable switching in electro formed MIM devices // Phys. Status SolidiA.- 1988.-V.108.-Nl.-P.il -65.

64. Гершензон E.M., Гольцман Г.Н., и др. S-N-переключение сверхпроводпиковых плёнок ниобия и YBCO // СФХТ. 1992. - Т.5. - N12. - С.2386 - 2402.

65. Козырев А.Б., Самойлова Т.Б., Шаферова С.Ю. Быстрое токовое S-N переключение плёнок УВа2Сиз07х и его применение для амплитудной модуляции СВЧ сигнала // СФХТ. 1993. - Т.6. - N4. - С.823 - 837.

66. Воронепко A.B., Ушаткин Е.Ф., Урсуляк Н.Д., Тагер A.C. Огрицательное дифференциальное сопротивление контакта сверхпроводящих керамик // СФХТ. 1989. -Т.2. -N5. -С.91 -96.

67. Switching phenomena in chromium-doped vanadium sesquioxide / Chudnovskii F.A., Pergament A.L., Stefanovich G.B., Metealf P.A., Honig J.M. // J. Appl. Physics. 1998. - V.84. - N5. - P.2643 - 2646.

68. N-Type negative resistance in M/NiS2xSex/M structures / Chudnovskii F.A., Pergament A.L., Stefanovich G.B., Somasundaram P., Honig J.M. // Phys. stat. sol. (a). 1997. V.161. P.557 - 580.

69. 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.

70. Thomas D.L., Male J.C. Thermal breakdown in chalcogenide glasses // J. Non-Cryst. Solids. 1972. - V.8-10. - P.522 - 530.

71. Kroll D.M. Theory of electrical instabilities of mixed electronic and thermal origin // Phys. Rev. B. 1974. - V.9. - N4. - P.1669 - 1706.

72. Сандомирский В.Б., Суханов А.А., Ждан А.Г. Феноменологическая теория концентрационной неустойчивости в полупроводниках // ЖЭТФ. 1970. - Т.58. - N5. -С.1683 - 1694.

73. Philipp H.R., Levinson L.M. Nb02 devices for subnanosecond transient protection // J. Appl. Phys. 1979. - V.50. - N7. - P.4814 - 4822.

74. Shin S.H., Ilalperin Т., Raccah P.M. High-speed high current field switching of Nb02 // ibidem. 1977. - V.48. - N7. - P.3150 - 3153.

75. Morris R.C., Christopher J.E., Coleman R.V. Conduction phenomena in thin layers of iron oxide // Phys. Rev. 1969. - V.l84. - N2. - P.565 - 570.

76. Бондареико B.M., Воронов В.П., Гечяускас С.И. и др. Явление переключения в FeS // ЖТФ. 1984. - Т.54. - N2. - С.394 - 396.

77. Electronic switching in CuIr2S4xSex / Chudnovskii F.A., Pergament A.L., Stefanovich G.B., Somasundaram P, Honig J.M. // Phys. Status Solidi (a). 1997. - V.162. - P.601 -607.

78. Jackson J.L., Shaw M.P. The form and stability of I-V characteristics for ideal thermal switching // Appl. Phys. Lett. 1974. - V.25. -N11. - P.666 - 668.

79. Gildart L. Bistable switching and the Mott transition // J. Non-Cryst. Solids. 1970. -V.2.-P.240-249.

80. Makys V., Noga M. Dunamics of threshold switching in amorphous alloys // Czech. J. Phys. 1979. - V.B29. - N12. - P. 1407 - 1413.

81. Chakraverty B.K. Metal-insulator transition; nucleation of a conducting phase in amorphous semiconductors // J. Non-Cryst. Solids. 1970. - V.3. - P.317 - 326.

82. Becker M.F., Buckman A.B., Walser R.M. et al. Femtosecond laser exitation of the semiconductor-metal phase transition in V02 // Appl. Phys. Lett. 1994. - V.65. - N12. -P.1507- 1509.

83. Mansingh A., Singh R. The mechanism of electrical threshold switching in V02 crystals // J. of Phys. C. 1980. - V.13. - N33. - P.5725 - 5733.

84. Алексеюнас А., Барейкис В., Бондареико В., Либерис 10. Флуктуации тока и время переключения в монокристаллах диоксида ванадия // ФТТ. 1978. - Т.20. - N7. -С.1980- 1984.

85. Serbinov I.A., Ryabova L.A., Savitskaya Ya.S. Phase transition and switching in pyro-lytic V02 films //Thin Solid Films. 1975.-V.27.-P. 171 - 176.

86. Таллсрчик Б.А., Теруков Е.И., Чудновский Ф.А. Тепловой механизм эффекта переключения в окисленном ванадии // Инженерно-физический Журнал. 1975. - Т.28. -N2.-C.257-262.

87. Duchene J. Direct IR measurements of filament temperature during switching in vanadium oxide film devices // J. Solid State Chem. 1975. - V.12. - P.303 - 306.

88. Котлярчук Б.К. Эффект переключения в ванадии, окисленном на воздухе при лазерном облучении // Украинский Физический Журнал. 1979. - Т.24. - N11. -С.1753- 1755.

89. Андреев В.Н., Тимощенко Н.Е., Черненко И.М., Чудновский Ф.А. Механизм формирования переключающих ванадатно-фосфатных стёкол // ЖТФ. 1981. - Т.51. -N8.-С.1685- 1689.

90. 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.

91. Zhang J.G., Eklund P.C. The switching mechanism in V205 gel films // J. Appl. Phys. -1988. V.64. - N2. - P.729 - 733.

92. 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.K1 - K4.

93. Taketa Y., Furugochi R. Switching and oscillation phenomena in Sn02-V0x-Pd0 ceramics // Appl. Phys. Lett. 1977. - V.31. - N7. - P.405 - 406.

94. Барейкене P.M., Бондаренко B.M., Волков B.JI. Явление переключения в монокристаллах P-Ago,33V205 // Изв. АН СССР, Пеорг. Материалы. 1991. - Т.27. - N2. -С.429 -431.

95. Fisher В. Moving boundaris and travelling domains during switching of V02 single crystals//J. Phys. 1975.-V.C8.-N13. - P.1201 - 1209.

96. Пергамент А.Л., Стефанович Г.Б., Чудновский Ф.А. Фазовый переход металл-полупроводник и переключение в V02 в сильном электрическом поле // Письма в ЖТФ. 1993. - Т.19. - Вып.20. - С.69 - 73.

97. Loser W., Mattheck С., Haubenreisser W. Influence of the intrinsic termistor effect in V02 coplanar switching devices // Phys. Status Solidi (a). 1974. - V.21. - N2. - P.487 -496.

98. Stefanovich G., Pergament A., Stefanovich D. Electrical switching and Mott transition in V02 // Journal of Physics: Condensed Matter. 2000. - V.12. - Issue 41. - P.8837 -8845.

99. Березовский Г.А., Лукашук Е.И. Термодинамические свойства диоксида ванадия в интервале 6 360 К / Препринт АН ССР. Сиб. Отд-пие. - Новосибирск, Ин - т неорганической химии, 1990. - N90 - 04. - 20с.

100. Cepas О., McKenzie R. Н. "Electric-field-induccd Mott insulating states in organic field-effect transistors" Phys. Rev. B, 2002, v.66, p.214528-214537.

101. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М: Мир, - 1984. -Т1. - 455 с.

102. Пеннин Н.А. Фотоемкостный эффект в монополярном металл-дилектрик-полупроводник конденсаторе при низких температурах // ФТП. 2000. - Т.34. -Вып.5. - С.562 - 566.

103. Cavalleri A., Toth С., Siders С. et al. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 237401 -237404.

104. Самсонов Г.В. // Физико-химические свойства окислов. М.: Металлургия, 1978. 472с.

105. Борисков П.П., Величко А.А., Пергамент АЛ. и др. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. В. 10. С. 13-18.

106. Очан Ю.С // Методы математической физики. М.: Высшая Школа, 1965. 383с.

107. Мирзоев Ф.Х., Панченко В Л., Шелепин Л.А. // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 1.С. 3-32.

108. Ховив А. М. // Конденсированные среды и межфазные границы. 1999. Т. 1. № 1. С. 58-66.

109. Ильин А. М., Пергамент А. Л., Стефанович Г. Б. и др. // Оптика и спектроскопия. 1997. Т. 82. В. 1.С. 46-50.

110. Chudnovskii F. A., Pergament A. L., Schaefer D. A. et al. // J. Solid State Chem. 1995. V.l 18. P. 417-418.

111. Stefanovich G. В., Pergament A. L., Chudnovskii F. A. et al. // Proc. SPIE. 1999. V. 3725. P. 164-167.

112. Van Zant P. // Microchip Fabrication. New York: McGraw-Hill. 1997.

113. Пергамент А. Л., Стефанович Г. Б., Чудновский Ф. А. // ФТТ. 1994. Т. 36, В. 10, С. 2988-3001.

114. Бугаев А. А., Гаврилюк А. И., Гурьянов А. А. и др. // Письма в ЖТФ. 1978. Т. 4. В. 2. С. 65-69.

115. Никулин Е. И., Чудновский Ф. А., Шадрин Е. Б. и др // ЖТФ. 1988. Т. 58. В. 12. С. 2411-2413.