Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ В СТРУКТУРЕ SI-SIO2-VO2

Кулдин Н. А. Величко А. А.
Разработка новых полупроводниковых элементов совместимых с кремниевой технологией, но основанных на других физических эффектах привлекает большое внимание исследователей. В данной работе описывается Si-SiO2-VO структура (рис.1.) с управляемой динамикой переключения, а также приводятся результаты моделирования ее свойств. Эффект переключения обусловлен переходом металл-изолятор (ПМИ) в двуокиси ванадия. Механизм переключения обычно трактуется в рамках модели критической температуры, однако, как было показано нами, на температуру ПМИ можно влиять электрическим полем, а также инжекцией заряда [1].

p 

Рис.1. Схема включения структуры (a), 1 - постоянный источник, 2 -генератор (R1 = 100 kΩ, R2 = 10 Ω, R3 = 560 kΩ, C1 = 0.022 μF; вид контактов (b), динамическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) структуры с (c) и без (d) переключения.

Пленка диоксида ванадия (~3000 A) осаждалась на Si-SiO2 (Si-p-типа, ρ = 1 W×cm; SiO2 ~1000 A) подложку методом реактивного магнетронного распыления. Сверху наносились алюминиевые контакты (рис.1.b). ВАХ структуры исследовалась на переменном сигнале в режиме генератора тока (большое сопротивление R1). Исследуемая структура характеризуется ВАХ переключательного типа (рис.1.c). При наблюдении динамической ВАХ на низкочастотном сигнале (~100 Hz), освещение структуры и (или) смещение Si-подложки (по крайней мере, в диапазоне U0 от -30 до 30 V) не влияло на вид ВАХ. Однако при переходе в более высокочастотную область можно было обратимо переводить структуру в состояние без переключения при помощи подачи соответствующего напряжения смещения на подложку. Так на частоте 6 kHz при U0 < -12.2 V наблюдался переход к динамической ВАХ показанной на рис.1 d. В этом случае переключение отсутствует. При положительном смещении подложки вырождение переключения наблюдалось при U0 > 4.6 V.

Далее было обнаружено влияние освещения на динамику переключения. При U0 ≥ 0 освещение не влияло на работу переключателя. Однако при отрицательном смещении подложки уже слабое освещение приводило к исчезновению переключения на динамической ВАХ. Так на частоте 6 kHz при U0 = -8 V и освещенности 5.10-4  J.cm-2.s-1 переключение исчезало, и динамическая ВАХ имела вид, показанный на рис.1.d.

Таким образом, мы могли управлять динамикой переключения структуры изменяя освещение (фотоемкостный эффект) или напряжение смещения U0.

Эквивалентная схема структуры представлена на рисунке 2.а.b

p 

Рис.2. Эквивалентная схема (a), R1 - ограничительное сопротивление, Rv - сопротивление пленки диоксида ванадия, С - емкость МДП-структуры (b), состоящая из трех емкостей: Сох -подзатворного диэлектрика SiO2, Csc - области пространственного заряда (ОПЗ), Css - поверхностных состояний (ПС); зависимость I от ψs (c).

При подаче переменного напряжения U, через резистор Rv протекает ток который при превышении некоторого амплитудного значения Ik вызывает эффект переключения, обусловленный разогревом VO2 до температуры ПМИ. Было промоделировано амплитудное значение тока в зависимости от поверхностного потенциала, определяемого напряжением смещения U0, и сравнение его с Ik (кривая 3 рис.2.с). В модели учитывалась зависимость Csc и Css от частоты сигнала.

f (1)

где τss - время перезарядки ПС, τn - время жизни неосновных носителей, СB - емкость ОПЗ в области обеднения и слабой инверсии, Сp - емкость ОПЗ в обогащении, Cn  - емкость ОПЗ в области сильной инверсии.

Для схемы представленной на рис 2.а ток через пленку диоксида ванадия рассчитывается по формуле:

f             (2)

Выводы:

1. При увеличении частоты сигнала подаваемого на структуру происходит уменьшение  Imax (Imax, Imin - максимальное и минимальное значение тока при варьировании ψs рис.1.с), т. е. Imax < Ik. В результате чего переключатель не работает в данном диапазоне частот. Однако если уменьшить геометрические размеры переключателя, то Imax достигает Ik и переключение становится возможным. При частотах порядка 1 - 10 kHz переключатель имеет две рабочие точки переключения (рис.2.с, кривая 1), при положительном и отрицательном значении поверхностного потенциала. Однако при переходе в более высокочастотную область, рабочая точка (ys>0) сдвигается в область больших значений ys, которая реально недостижима (рис.2.с, кривая 2). В результате переключатель имеет одну рабочую точку.

2. Влиять на параметры переключателя можно при помощи варьирования длины и ширины алюминиевых контактов, а так же расстояния между ними.

Критический ток (где  jk - критическая плотность тока при ПМИ, h - ширина контактов, d - толщина пленки). Критическое напряжение f (где  ρ - удельное сопротивление пленки VO2, l - расстояние между контактами).

Подбирая данные параметры можно выводить структуру в режим управляемого переключения в очень широком диапазоне частот, что делает ее перспективным элементом в микроэлектронике.

Работа выполнена при поддержке гранта Министерства Образования РФ и Американского Фонда Гражданских Исследований и Развития (CRDF) № PZ-013-02.

[1] А.А. Величко, Н.А. Кулдин, Г.Б. Стефанович, А. Л. Пергамент //ПЖТФ,  т.29, в.12, с.49-53. (2003).


Библиографическая ссылка

Кулдин Н. А., Величко А. А. УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ В СТРУКТУРЕ SI-SIO2-VO2 // Успехи современного естествознания. – 2004. – № 4. – С. 44-46;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=12476 (дата обращения: 23.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074