CC BY
23
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Выпрямляющая гетероструктура NiO-Nb2O5, синтезированная с помощью низкотемпературного магнетронного напыления Стефанович Г. Б.1, Борисков П. П.2, Куроптев В. А.3
1 Стефанович Генрих Болеславович / Stefanovich Genrikh Boleslavovich - доктор физикоматематических наук, профессор, заведующий кафедрой, кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники;
2Борисков Пётр Петрович /Boriskov Pjotr Petrovich - кандидат физико-математических наук,
доцент,
кафедра электроники и электроэнергетики;
3Куроптев Вадим Андреевич /Kuroptev Vadim Andreevich - аспирант, инженер, кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники, Петрозаводский государственный университет, г. Петрозаводск
Аннотация: обсуждаются основные аспекты синтеза и экспериментального исследования диодных оксидных гетероструктур (в первую очередь на основе NiO и Nb2O5). Показано, что данные гетероструктуры могут использоваться в качестве селекторных диодов элементов доступа в оксидной резистивной памяти. Отмечено, что выбор кандидатов на оксидные полупроводники и оптимизация условий их синтеза для конкретных приложений является нетривиальной и в значительной степени трудноразрешимой задачей.
Ключевые слова: оксидные гетероструктуры, резистивная память, оксиды никеля, оксиды ниобия.
Последние пять десятилетий микроэлектроника была двигателем прогресса фактически во всех технологических областях - от коммуникаций, моделирования изделий и процессов, автоматизации производств, авиации, космонавтики до автомобилестроения и бытовой техники. Столь впечатляющие успехи с точки зрения материаловедения были основаны на использовании монокристаллического кремния. Благодаря ряду преимуществ, многократно описанных в литературе [1], были созданы совершенные технологии изготовления кремниевых приборов - транзисторов и диодов на монокристаллических кремниевых подложках.
Однако в последнее время для разработки и изготовления электронных компонентов стали привлекаться новые материалы, в первую очередь, оксиды металлов и полупроводников. Существует целый ряд приложений, где необходимо применение тонкопленочных диодов из оксидных материалов: 3D компьютерная память нового поколения, тонкопленочные дисплеи, солнечные батареи, прозрачная электроника, электроника на гибких подложках [13].
Следует отметить, что в традиционных полупроводниках (Si, Ge, AinBV), технология которых совершенна и позволяет работать с материалом, концентрация примеси в котором пренебрежимо мала, тип и концентрация носителей заряда определяются контролируемым введением соответствующих примесей (легирование или допирование), играющих роль донорных или акцепторных центров [1; 2; 13]. Дефектная химия оксидных полупроводников совершенно иная. Даже без внешнего введения примесей многие оксиды проявляют заметную проводимость n- или p-типа, являясь, однако, достаточно широкозонными материалами. Это определяется низкими энтальпиями образования внутренних дефектов нестехиометрии - анионными (кислородными) или катионными вакансиями. Большинство оксидов (по крайней мере, простейшего бинарного состава) демонстрируют n-тип проводимости, благодаря тому, что энергия ухода
| 5 | ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015
кислорода в междоузельное пространство меньше энергии ухода катиона [3; 4; 13]. Но ряд оксидов (NiO, CuO, MnO3) все же имеют проводимость p-типа [4; 13].
Низкие энергии образования внутренних дефектов оксидных полупроводников затрудняют изменение их типа проводимости посредством дополнительного легирования дефектами, обеспечивающими появление носителей другого знака. Подобные примеси должны иметь энергии ионизации более низкие по сравнению с энергиями ионизации основных внутренних дефектов. В противном случае, введение дефектов, например, акцепторного типа, моментально приводит к формированию внутренних дефектов противоположного типа (доноров - «hole killers»), которые нейтрализуют влияние внешней примеси. И наоборот - введение дефектов донорного типа в оксидный полупроводник p-типа немедленно увеличивает концентрацию дефектов акцепторного типа - «electron killers».
Подобная асимметрия проводимости и сложности, возникающие при попытках создать один и тот же оксидный материал с разными типами проводимости, привели к тому, что создание как гомопереходов, так и гомоструктур для оксидных полупроводников на данный момент является нерешенной задачей [13].
Однако создание оксидных ^-«-гетеропереходов, то есть двухслойных структур не только с разным типом проводимости, но и на основе различных материалов, вполне возможно, и на эти исследования уже потрачено много усилий. В первую очередь следует отметить разработку газовых сенсоров [13]. Так, еще в 1979 году Каваками и Янагита [5] предложили использование р-«-гетероструктуры p-Li:NiO/«-ZnO в качестве датчика влажности. Сильно нелинейная характеристика датчика демонстрировала более высокую чувствительность по сравнению с датчиками на основе одиночных оксидных пленок с линейными вольт-амперными характеристиками [13]. В дальнейшем высокая чувствительность к газовой атмосфере была продемонстрирована для многих типов оксидных гетероструктур: CuO/ZnO [6; 7], CuO/SnO2 [8] и LnMO3/SnO2 (где M = Cr, Co, Mn, Fe) [9].
Новый импульс для исследования оксидных гетероструктур с выпрямлением был получен от разработчиков резистивной компьютерной памяти. Архитектура такой памяти требует использования диода, который в открытом состоянии, с одной стороны, должен пропускать ток, достаточный для записи и стирания информации, а в закрытом состоянии - обеспечивать отсутствие интерференции между ячейками [10; 13]. Главным требованием в этом применении является большой прямой ток, который при масштабировании ячеек до наноразмерных масштабов (20-50 нм, то есть в рамках возможностей современной литографии) должен пропускать ток, плотность которого достигает значений 106 А/см2 [13].
В настоящей работе с помощью низкотемпературного магнетронного напыления синтезировался оксидный р-«-переход p-NiO-«-Nb2O5 и измерялась его вольтамперная характеристика (ВАХ) в сравнении с полученными ранее [11] оксидными гетеропереходами: NiO-ZnO, NiO-TiO2, CuO-IZO и NiO-IZO [13].
Схематический вид тонкопленочной структуры Al-«-Nb2O5-p-NiO-Pt приведен на рис. 1. В качестве подложек использовались кремниевые шайбы с термически полученным оксидом кремния толщиной 100 нм. На подложки методом RF магнетронного распыления при комнатной температуре осаждались слои Pt толщиной 100 нм. Этот слой использовался как металлический электрод к полупроводнику р-типа [13].
ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015 | 6 |
П -оксид P-оксид Pt
подложка
Рис. 1. Схематический вид гетероструктуры с выпрямлением
Далее на пленку Pt методом RF реактивного магнетронного распыления при комнатной температуре осаждался слой NiO. Затем аналогичным методом осаждалась пленка Nb2O5 в качестве полупроводника и-типа. Толщина обоих оксидных слоев, контролируемая встроенным в магнетронную установку кварцевым резонатором, составляла 100 нм [13].
После этого методом RF магнетронного распыления при комнатной температуре осаждались слои Al толщиной 100 нм, которые служили металлическими электродами к полупроводнику n-типа. Al как электрод к полупроводнику n-типа был выбран по причине низкой работы выхода, что обеспечивало омическое поведение контакта без образования барьера Шоттки. В свою очередь Pt обеспечивала наличие омического контакта к полупроводникам _р-типа.
Главным параметром, вариация которого приводила к синтезу структур с выпрямлением, служило процентное содержание кислорода в газовой смеси (Ar: 02), используемой для RF реактивного магнетронного распыления. Влияние остальных параметров - RF-мощности, смещения подложки, геометрического расположения подложки - было несущественным. Сами параметры имели следующие значения: RF-мощность - 300 W, смещение подложки - 100 V, геометрическое расположение подложки (расстояние между мишенью и подложкой) - 8 см [13].
Для определения ширины запрещенной зоны синтезированных полупроводников (NiO и Nb205) измерялись спектральные характеристики коэффициентов поглощения (рис. 2). Наилучшее спрямление участков спектральных зависимостей, указывающих на наличие фундаментального поглощения, было получено в координатах (a h v)2 = f (h v) [13]. Это спрямление дает ширину оптических запрещенных зон Eg оксидов, равную 3.48 эВ (NiO) и 3.86 эВ (Nb205), что близко к литературным данным [12]: Eg = 3,4^3.7 эВ и Eg ~ 3,9 эВ для NiO и Nb205 соответственно.
Рис. 2. Спектральная характеристика поглощения для пленок NiO (1) и Nb2O5 (2)
| 7 | ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015
ВАХ полученной структуры Al-n-Nb2O5-p-NiO-Pt и других гетеропереходов (p-NiO-n-ZnO, p-NiO-n-TiO2, p-CuO-n-IZO и p-NiO-n-IZO) [11] приведены на рис.
3. Как видно, значение прямого тока в структуре NiO-Nb2O5 заметно меньше, чем в структурах p-CuO-n-IZO и p-NiO-n-IZO, оно сравнимо с p-NiO-n-ZnO и не может обеспечивать нормальную работу ячеек памяти ReRAM в режиме стирания информации. Однако все исследуемые гетероструктуры демонстрируют достаточно высокое отношение прямого тока к обратному, то есть обладают заметным выпрямлением [13].
Рис. 3. ВАХ оксидных гетеропереходов:
1) NiO-TiO2 (p-n);
2) NiO-ZnO (p-n);
3) NiO-IZO (p-n);
4) CuO-IZO (p-n);
5) Nb2O-NiO (n-p).
Характеристики (1-4) - по данным [11]
В заключение отметим, что обсуждаемая гетероструктура и гетероструктуры, полученные ранее [11], могут использоваться в качестве селекторных диодов, особенно в приложениях, где требуются низкотемпературные технологии синтеза электронных компонент, например, в 3D-интеграции электронных схем в будущем. Но, как показывают данные исследования, выбор кандидатов на оксидные полупроводники и оптимизация условий их синтеза для конкретных приложений - это трудоемкая и пока не решенная задача современной оксидной электроники.
ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015 | 8 |
Литература
1. Campbell S. A. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication. Oxford Univ. Press, New York, NY, 2001.
2. Pierret R. F. Semiconductor Device Fundamentals, Addison Wesley, Reading, MA, 1996.
3. Zhang S. B., Wie S. H., Zunger A. Phys. Rev. B, V. 63, 2001, pp. 75201-75205.
4. Van de Krol R., Tuller H. L. Electroceramics - the role of interfaces. Solid State Ionics, V. 150, 2002, pp. 167-179.
5. Kawakami K., Yanagida H. Effects of Water Vapor on the Electrical Conductivity of the Interface of Semiconductor Ceramic-Ceramic Contacts. Yogyo-Kyokai-shi, V. 87, 1979,
p. 112.
6. Nakamura Y., Yoshioka H., Miyayama M., Yanagida H., Tsurutani T., Nakamura Y. J. Electrochem. Soc., V. 137, 1990, p. 940.
7. Baek K. K., Tuller H. L. Solid State Ionics, V. 75, 1995, p. 179.
8. Tamaki J., Maekawa T., Miura N., Yamazoe N. Sens. Actuators, V. B9, 1992, p. 197.
9. Mitsuoka M., Otofuji A., Arakawa T. Sens. Actuators, V. B9, 1992, p. 205.
10. Lee M.-J., Kim S. I., Lee C. B., Yin H., Ahn S.-E., Kang B. S., Kim K. H., Park J. C., Kim C. J., Song I., Kim S. W., Stefanovich G., Lee J. H., Chung S. J., Kim Y. H., Park Y. S. Low Temperature Grown Transition Metal Oxide Based Storage Materials and Oxide Transistor for High Density Non-volatile Memory. Adv. Funct. Mater., V. 18, 2008, pp. 1-7.
11. Стефанович Г. Б., Пергамент А. Л., Стефанович Т. Г., Куроптев В. А. Анизотипные гетеропереходы с выпрямляющими свойствами на основе оксидных материалов: материалы XIII Международной конференции // Физика диэлектриков (Диэлектрики-2014), 2-6 июня 2014 г. Санкт-Петербург: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2014. Т. 1. С. 125-126.
12. Cox P. A. Transition Metal Oxides: An Introduction to their Electronic Structure and Properties. Clarendon Press, Oxford (1992), 294 p.
13. Оптимизация свойств оксидных пленок для применения в 3D энергонезависимой памяти с наноразмерным масштабом компонентов: отчет о НИР (закл.) / Петрозаводский гос. ун-т; рук. Величко А. А.; исполн.: Стефанович Г. Б. и [др.]. Петрозаводск, 2011. 590 с., Библиогр.: с. 531-590.
| 9 | ВЕСТНИК НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ № 9(11) 2015
