УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ В СТРУКТУРЕ SI-SIO2-VO2

1

• Авторы
• Файлы

Кулдин Н. А. Величко А. А. Статья в формате PDF 173 KB Разработка новых полупроводниковых элементов совместимых с кремниевой технологией, но основанных на других физических эффектах привлекает большое внимание исследователей. В данной работе описывается Si-SiO₂-VO₂  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 тpaктуется в рамках модели критической температуры, однако, как было показано нами, на температуру ПМИ можно влиять электрическим полем, а также инжекцией заряда [1].

 

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 хаpaктеристика (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 хаpaктеризуется 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

 

Рис.2. Эквивалентная схема (a), R₁ - ограничительное сопротивление, R_v - сопротивление пленки диоксида ванадия, С - емкость МДП-структуры (b), состоящая из трех емкостей: С_ох -подзатворного диэлектрика SiO_2, C_sc - области прострaнcтвенного заряда (ОПЗ), C_ss - поверхностных состояний (ПС); зависимость I от ψ_s (c).

При подаче переменного напряжения U, через резистор R_v протекает ток который при превышении некоторого амплитудного значения I_k 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 I_k (кривая 3 рис.2.с). В модели учитывалась зависимость C_sc и C_ss от частоты сигнала.

 (1)

где τ_ss - время перезарядки ПС, τ_n - время жизни неосновных носителей, С_B - емкость ОПЗ в области обеднения и слабой инверсии, С_p - емкость ОПЗ в обогащении, C_n  - емкость ОПЗ в области сильной инверсии.

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

             (2)

Выводы:

1. При увеличении частоты сигнала подаваемого на структуру происходит уменьшение  I_max (I_max, I_min - максимальное и минимальное значение тока при варьировании ψ_s рис.1.с)_, т. е. I_max < I_k. В результате чего переключатель не работает в данном диапазоне частот. Однако если уменьшить геометрические размеры переключателя, то I_max достигает I_k 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 (y_s>0) сдвигается в область больших значений y_s, 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  j_k - критическая плотность тока при ПМИ, h - ширина контактов, d - толщина пленки). Критическое напряжение  (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).

---