Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Алексеева Людмила Геннадьевна

Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов
<
Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Алексеева Людмила Геннадьевна. Исследование эффектов переключения и памяти в тонкопленочных структурах Me/MeOx/Me на основе полупроводниковых оксидов: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.10 / Алексеева Людмила Геннадьевна;[Место защиты: ФГАОУВО Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина)], 2016

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 11

1.1. Эффект переключения сопротивления. Обзор ранних работ 11

1.2. Эффект переключения сопротивления. Современное состояние 14

1.3. Основные принципы и механизмы эффекта переключения сопротивления и памяти в МОМ-структурах 19

1.4. Модели переключения сопротивления, основанные на формировании и разрыве нитей проводимости 22

1.5. Модели переключения, не связанные с формированием и разрывом проводящих каналов 30

2. Технология и характеризация свойств МОМ-структур 37

2.1. Объекты исследования 37

2.2. Технология МОМ-структур

2.2.1. Технология электродов 46

2.2.2. Технология оксидных слоев 48

2.3. Характеризация структур Pt/PbOx/Pt 54

2.4. Характеризация гетерогенных структур на основе оксидов титана и алюминия 61

Краткие выводы к главе 2 70

3. Эффекты переключения и памяти в тонкопленочных структурах Pt/PbO/Pt 71

3.1. Биполярное переключение в структурах Pt/PbO/Pt 71

3.2. Механизм электронного транспорта. Гистерезис 75

3.3 Область отрицательного дифференциального сопротивления и эффект шнурования 87 3.4. Механизмы переключения и памяти 92

Краткие выводы к главе 3 99

4. Эффекты переключения и памяти в гетерогенных структурах на основе оксидов титана и алюминия

4.1. Эффекты переключения и памяти в структурах Pt/Al2O3/TiO2/Me 101

4.1.1. Влияние толщины слоя оксида алюминия 105

4.1.2. Влияние материала верхних электродов, измерения в вакууме 106

4.2. Эффект многоуровневого переключения и памяти в структурах Pt/TiO2/Al2O3/Pt 109

4.3. Температурные исследования гетерогенных структур 116

Краткие выводы к главе 4 119

Заключение 121

Список литературы

Основные принципы и механизмы эффекта переключения сопротивления и памяти в МОМ-структурах

Считается, что перенос электронов осуществляется прыжками между ловушками с очень близкими энергиями. При напряжениях меньше Фi электроны могут туннелировать от одного электрода к другому через примесные состояния. Когда приложенное напряжение превышает Фi, электроны, входящие в диэлектрик с энергиями, близкими к энергии Ферми металлического электрода, могут пересечь диэлектрик только в результате очень маловероятных переходов через ловушки меньшей энергии. Следовательно, ток определяется электронами с энергиями более чем на Фi -V ниже уровень Ферми электрода. Так как в металле ниже уровня Ферми плотность электронных состояний уменьшается, то число электронов, участвующих в проводимости, быстро падает, что и вызывает отрицательное сопротивление. В модели Барриака [30-32] дополнительно вводится ионный ток. Предполагается, что при низких напряжениях перенос осуществляется ионным током, ограниченным пространственным зарядом. При более высоких напряжениях начинается туннелирование электронов, которые захватываются и нейтрализуют положительный пространственный ионный заряд, так что обе компоненты тока практически компенсируются

Пример фазового превращения во всем образце описан в работе [33], где рассматривается переключение в окислах ванадия, когда из-за джоулева нагрева температура становится выше температуры фазового перехода. Так как высокотемпературное состояние более проводящее, то появляется S-образная характеристика. Другие модели основаны на образовании проводящих шнуров. В системах с «бистабильным» переключением шнуры наблюдались непосредственно, и их свойства, по-видимому, связаны со стеклованием и рекристаллизацией. Мотт [34] предположил, что проводимость увеличивается и возникает S-характеристика после таких атомных перемещений, когда у некоторых атомов образуются насыщенные связи. В высокоомном состоянии подобные системы имеют аморфную структуру, при которой связи всех атомов насыщены. Два подхода, имеющие много общего, развиты Гиббонсом и Бидлом [35] и Дирнлеем [36]. В этих моделях считается, что в высокоомной матрице существуют отличные по физическим свойствам шнуры, обладающие омической проводимостью (т. е. энергия активации проводимости равна нулю). В модели Дирнлея проводящие шнуры могут рваться и становиться непроводящими, резкое падение электропроводности в месте разрыва вызывает появление ОДС. Гиббонс и Бидл постулируют существование одного проводящего шнура; в их модели переключение происходит, но состояния с отрицательным сопротивлением не существует. Шнур может разорваться, например, из-за джоулева нагрева в некоторой точке выше температуры плавления. Эффект управляемого дифференциального сопротивления, подобный наблюдаемому в газоразрядной трубке, наблюдался в системах на основе тонких оксидных пленок Nb, Ta, Zr, Al и Ti [20, 22, 24].

Несмотря на то, что были высказаны идеи возможности потенциального применения наблюдаемого эффекта, в качестве электрически перепрограммируемой памяти, их не связывали с проявлением свойств мемристора. Особых соображений по поводу природы эффекта и механизмов переключения сопротивления высказано не было, и широкого применения наблюдаемые эффекты не получили.

Второй период научно-исследовательской деятельности в области эффектов переключения сопротивления возник в конце 1990-х, в основном в рамках развития RRAM памяти [8, 13, 37-62]. В этот период времени уже начинают высказываться некие предположения по поводу механизмов переключения в системах Ме/МеОх/Ме к наиболее интересным, на наш взгляд, можно отнести модель переключения, основанную на модуляции потенциального барьера[41]; модель, основанная на интерфейсах предложенная в работах [43, 45]; достаточно широко обсуждаемая модель, в большинстве своем относящаяся системам с униполярным переключением, основанная на образовании/разрыве нити проводимости [13, 52, 54-56, 58, 62], неким особняком рассматриваются физико-химические модели, предложенные Waser и Aono [59], связанные с движением катионов (анионов) и основанные на протекании окислительно-восстановительных процессов.q

Технология электродов

Заключительной стадией формирования МОМ-структур на основе тонких пленок оксидов металлов являлось нанесение верхних электродов (Pt, Al и Au) с использованием маски. В качестве материала для нижнего электрода, чаще всего, используются химически инертные материалы, которые не окисляются при повышенных температурах и сохраняют при этом высокую проводимость. В качестве материала для нижних электродов в МОМ-структурах использовались тонкие пленки платины. Это обусловлено высокой технологичностью процесса получения пленок платины, а так же высокой термической и химической стабильностью платины. Так как тонкие пленки платины, используемые в качестве нижнего электрода, демонстрируют плохую адгезию к подложкам оксидированного кремния. То для улучшения адгезии пленок платины на поверхность подложки наносят адгезионный подслой титана (оксида титана).

Верхние электроды формируются на завершающей стадии технологии МОМ-структур. Процесс осаждения электродов происходит при достаточно низких температурах 150 – 200 С, чтобы избежать дополнительное температурное воздействие на готовые металлооксидные пленки. Так как процесс осаждения верхних электродов происходит при пониженных температурах, это позволяет расширить ряд используемых материалов. В работе, в качестве верхних контактов для МОМ-структур использовались тонкие пленки Pt, Au, Ni и Al.

Слой оксида металла. С целью приблизится к пониманию основных механизмов переключения и памяти в МОМ-системах, а так же выявить некую общность наблюдаемых эффектов, в качестве материалов активного переключающегося слоя были выбраны: полупроводниковый оксид титана (оксид переходного металла), полупроводниковый оксид свинца (оксид непереходного металла) и оксид алюминия (используемый в микроэлектронике в качестве диэлектрика). Система Ti-O. Большинство кристаллографических данных, касательно конденсированных фаз системы Ti-O, были описаны в работе [120]. Титан существует в двух модификациях, Ti (гексагональная плотноупакованная решетка) и Тi (объемно-центрированная кубическая решетка). Система Ti-O включает в себя до 15 оксидов титана. Диаграмма состояния системы титан - кислород описана в [121, 122] (рис. 2.2).

Так как в работе мы имеем дело с диоксидом титана (ТiO2), то подробнее остановится на рассмотрении его модификаций. Диоксид титана известен в виде нескольких модификаций; кроме рутила и двух метастабильных модификаций при низком давлении анатаза и брукита, получены две модификации высокого давления: ромбическая и гексагональная [121]. Рутил является наиболее устойчивой модификацией ТiO2 как при высоких, так и при низких температурах. Химический состав. Ti 60%. [123]. Сингония тетрагональная. Кристаллическая структура рутила изображена на рис. 2.3. Она отличается некоторыми особенностями. Если в кристаллической структуре типа корунда листы плотнейшей упаковки ионов кислорода располагаются перпендикулярно тройной оси, а в структуре типа шпинели - параллельно граням октаэдра (т. е. также перпендикулярно тройным осям), то в кристаллической структуре типа рутила, направления плотнейшей упаковки в виде колонок параллельны главной (четверной) оси кристаллов рутила. Каждый ион Ti окружается шестью ионами кислорода, располагающимися по углам почти правильного октаэдра (рис. 2.3, в), а каждый ион О окружен тремя ионами Ti (в углах почти равностороннего треугольника). Такие октаэдры в кристаллической структуре рутила вытянуты вдоль оси с в виде прямолинейных колонок (рис. 2.3, б), чем и обусловливается игольчатый или шестоватый Облик кристаллов с направлениями плоскостей спайности параллельно вытянутости индивидов. Характерно, что в структуре рутила, в отличие от других модификаций TiO2, каждый октаэдр ТiO6 имеет по два ребра, общих с соседними октаэдрами (рис. 2.3, б) [123].

Брукит. Сингония ромбическая. Кристаллическая структура в несколько идеализированном виде представлена на рис. 2.4, (а) в проекции на плоскость (100), являющуюся плоскостью плотнейшей гексагональной упаковки ионов кислорода. На рис. 2.4 (б) изображены вышележащие (над плоскостью чертежа) листы ионов кислорода (ср. цифры в кружках). Если наложить нижний рисунок на верхний, то не трудно убедиться в том, что в направлении оси а в целом мы имеем комбинацию гексагональной и кубической упаковок (топазовую упаковку): ионы кислорода "75" располагаются не над ионами "25", как следовало бы для плотнейшей гексагональной двуслойной упаковки, а так, как это имеет место в кубических плотнейших упаковках. Ионы Ti лежат между листами ионов кислорода в шестерном окружении, образуя зигзагообразные цепочки октаэдров в каждом слое плотнейшей упаковки. В отличие от структуры рутила, эти октаэдры здесь имеют по три общих ребра [123].

Механизм электронного транспорта. Гистерезис

Система с нижним слоем оксида алюминия в исходном состоянии обладает сопротивлением 2105 Ом, в то время как система с инверсным расположением слоев – 81012 Ом. Здесь и далее измерение сопротивления производилось при подаче небольшого (0,1 В) постоянного напряжения. Подразумевается, что в этом случае не происходит заметного изменения свойств исследуемых структур. Возможная причина столь заметного различия по величине сопротивления многослойных структур может быть связана с особенностями их технологии, в частности, различной продолжительностью теплового воздействия во время синтеза пленок (температура подложки при нанесении пленок 200 С) и возможным влиянием атмосферы при отжиге после нанесения слоев (200 С, 30 с). В первом случае «нижняя» пленка при синтезе находится при повышенной температуре в 2 раза дольше. При отжиге существенным может оказаться влияние атмосферы для «верхнего» слоя. Отметим, что в настоящей работе слои отсчитываются от подложки - «снизу вверх».

На рисунке 2.19 приведен типичный Оже-спектр оксида титана, полученного после кратковременной ( 30 с) ионной бомбардировке поверхности.

Мы выделяем две линии титана (переходы L2зМ23М23 и L2зМ2зМ45) и кислорода (KLL), измерение которых позволяет делать заключение о стехиометрическом соотношении оксида титана. Изменение потока окислителя, в нашем случае H2O, или температуры подложки при оксида методом ALD приводит к изменению отношения O/Me, что и фиксируется в спектрах Оже-электронов. На рисунке 2.20 показана трансформация Оже-спектров оксида титана при изменении потока окислителя. Увеличение потока окислителя приводит к росту соотношения O/Ti. Тот же эффект наблюдается и при изменении температуры. На первый взгляд очевидный результат. С другой стороны, метод ALD предполагает стехиометричность процесса: лишние ингредиенты удаляются перед каждым последующим напуском металлоорганики или окислителя. Рисунок 2.20. - Трансформация Оже-спектров оксида титана при вариации потока окислителя

Исследование элементного состава поверхности в этом случае может оказаться некорректным вследствие возможной неоднородности состава по глубине слоя. Поэтому был проведен цикл исследований распределения элементов по глубине образцов. На рисунке 2.21, 2.22 в качестве примера подобных исследований приведены результаты послойного анализа тонких пленок оксида титана при изменении температуры подложки и потока окислителя. Видно, что распределение в достаточной степени однородно и характеризуется резкой границей раздела TiO2/Pt (на рисунке 2.21 сигнал платины не показан).

С другой стороны следует отметить наблюдаемые в профилях по глубине особенности. Во-первых, повышенное содержание кислорода в приповерхностной области, толщиной менее 10 нм. На наш взгляд, это обусловлено окислением поверхности после окончания процесса атомно-слоевого осаждения. Во-вторых, обращает на себя внимание монотонное увеличение концентрации (в относительных единицах) титана и кислорода. Представляемся, что это обусловлено влиянием фактора обратного рассеяния в электронной Оже-спектроскопии.

Влияние материала верхних электродов, измерения в вакууме

В настоящее время, наиболее часто привлекаемым механизмом для объяснения эффекта памяти является формирование и разрыв нитей проводимости, возникающих в объеме пленки между верхним и нижним электродами. Формирование нитей проводимости приводит к переводу системы в низкоомное состояние, а их разрыв соответственно к возврату в высокоомное состояние.

Сам по себе эффект шнурования в классическом представлении это возникновение в диэлектриках и полупроводниках в сильных электрических полях токовой нити (шнура) радиусом R, меньшим поперечного размера образца. Плотность тока в шнуре больше, чем в окружающем объёме. Несмотря на то, что сечение токового шнура обычно во много раз меньше площади сечения образца, может оказаться, что практически весь ток протекает в шнуре.

Наиболее сильным проявлением этого эффекта является появление на однородного образца падающего участка, на котором дифференциальная проводимость d = dj/dE - отрицательная величина. Характеристику называют S-образной, если плотность тока - многозначная функция поля (рис. 3.8, а), и N-образной, если ток - однозначная, но немонотонная функция поля (рис. 3.8, б) [28].

Падающая ветвь на возникает в каждом случае в силу определенных особенностей либо энергетического спектра носителей тока -электронов или (и) дырок, либо их взаимодействия с колебаниями решетки, с примесями, а также между собой. Изучение конкретных механизмов возникновения падающей ветви на характеристике само по себе - важная задача физики твердого тела. Дело в том, что в однородных проводниках наличие падающей ветви на приводит к таким явления, которые не могут возникнуть в сосредоточенных элементах. Главная особенность однородных проводников состоит в том, что их стационарные состояния с однородным распределением поля и тока, отвечающие падающей ветви характеристики (d 0), неустойчивы относительно неоднородных флуктуации [132, 133]. В результате развития этой неустойчивости в полупроводнике возникает неоднородное распределение тока по сечению ("шнурование" тока) при S-образной характеристике, а при N-образной — неоднородное распределение поля в виде движущихся областей (доменов) сильного или, наоборот, слабого поля [134, 135]. Неустойчивость, возникающая в полупроводниках с S-образной или N-образной характеристикой, приводит к различным эффектам. Природа механизмов возникновения этой неустойчивости и как следствие падающей ВАХ может быть разной. Во-первых, можно назвать ряд механизмов, основанных на изменении характерных времен рассеяния импульса () и энергии (е) носителей тока с увеличением их эффективной температуры (при неизменной концентрации n), так называемые «перегревные» механизмы. Последние предполагают разогрев электронного газа, приводящий к флуктуационной неустойчивости появлению ОДС и в конечном счете эффекту шнурования [136-138]. Механизм Ридли – Уоткинса характерен для многодолинных полупроводников и приводит к образованию неустойчивости и N-образной ВАХ. Здесь основную роль играет различие величины эффективной массы в верхних и нижних долинах. Большая величина эффективной массы приводит к малой подвижности. Дело не только в явной зависимости от т, = ер/т: время рассеяния импульса падает с ростом массы из-за увеличения плотности состояний.

Рекомбинационные и ионизационные механизмы. Данный механизм для нас наиболее интересен. В примесном полупроводнике с одним типом носителей тока (например, электронами проводимости) стационарная концентрация их определяется рекомбинационным равновесием: число электронов, возбуждаемых из атомов примеси в зону проводимости в единицу времени, равно числу электронов, захватываемых атомами примеси из зоны. Разогревая электроны, сильное электрическое поле смещает рекомбинационное равновесие и, следовательно, изменяет стационарную концентрацию носителей. Это приводит в ряде случаев к возникновению падающей ветви на [139, 140]. Допустим, что в полупроводнике проводимость определяется электронами, которые могут рекомбинировать с дырками на глубоких центрах. В слабых полях дырки находятся на мелких (близких к валентной зоне) уровнях. Сильное поле ионизует эти уровни, так что дырки переходят на глубокие рекомбинационные центры. При этом увеличивается скорость рекомбинации электронов и уменьшается их концентрация. Изменение рекомбинационного равновесия в результате разогрева носителей тока может приводить к возникновению не только N-, но и S-образной [141-143]. В этих материалах концентрация носителей и ток растут с увеличением поля. Более того указанные особенности наблюдаемых связаны со шнурованием тока. Концентрация носителей тока и электропроводность увеличиваются с ростом поля из-за ударной ионизации примесей и уменьшения скорости захвата носителей на ионизованные примесные центры (сечение захвата на притягивающие примеси падает с увеличением энергии электронов [144]). Относительно конкретного механизма появления падающей ветви на характеристике компенсированных полупроводников единого мнения нет [145]. Ясно, однако, что многозначная зависимость концентрации электронов от поля может возникнуть лишь в том случае, когда вид функции распределения электронов по энергиям зависит от степени ионизации примеси (а не только от поля) [146].

Как уже отмечалось ранее, вольтамперные характеристики структур Pt/PbO/Pt отчетливо демонстрируют проявления эффекта шнурования, наличием ОДС на вольтамперной характеристике измеряемых в токовом режиме (рис.3.9).q