Классическим объектом для изучения ПМИ является диоксид ванадия, в котором наблюдается фазовый переход 1 рода при достижении критической температуры перехода Tt=68oC [1]. В ряде работ изучалось влияние электрического поля на ПМИ в планарных структурах на основе VO2 [2,3], и было обнаружено влияние электрического поля на характеристики переключения или перехода, однако обнаруженные эффекты были слабыми и не поддавались однозначной интерпретации. В частности, влияние поля на температурную зависимость проводимости диоксида ванадия может быть объяснено сквозными токами утечки через подзатворный диэлектрик вызывающими дополнительный джоулев разогрев пленки VO2.
По нашему мнению, тепловое влияние может быть исключено при исследовании эффекта поля в структурах типа Si-SiO2-Si3N4-VO2. Следует отметить, что эксперименты в подобных структурах в условиях статического эффекта поля могут оказаться малоэффективными, так как для создания поверхностного потенциала, обеспечивающего значительное увеличение концентрации в слое достаточной глубины, требуется, видимо, приложить напряжение затвора VG сравнимое с напряжением пробоя диэлектрика. Более перспективным может оказаться подход, основанный не на эффекте поля, а на инжекции носителей заряда извне. Реализуя инжекцию носителей через слой окисла в нитрид кремния, можно обеспечить в нем накопление большого по величине заряда. В том случае, когда слой нитрида достаточно тонкий, захваченный заряд будет создавать электрическое поле на внешней стороне структуры, а оно в свою очередь будет воздействовать на электронную подсистему VO2.
В эксперименте использовались структуры двух типов, в которых в качестве подложки был выбран кремний n-типа с толщиной оксида 60 нм, а нитрида 100 нм (I тип), и кремний p-типа, с толщиной оксида 50 нм и нитрида 100 нм (II тип). Диоксид ванадия наносился на поверхность полупроводниковой структуры методом магнетронного реактивного распыления с последующим нанесением алюминиевых электродов. После изготовления тестовых структур измерялись вольт-фарадные характеристики и скачок проводимости при ПМИ в диоксиде ванадия. Затем осуществлялась туннельная инжекция электронов (в структурах I типа) и дырок (в структурах II типа) и их накопление в нитриде. Для реализации туннельной инжекции электронов или дырок, на металлический электрод, нанесенный на подложку, давалось импульсное напряжение (V≤ 110 В, t = 0,1 мкс, f = 103Гц).
Накопление заряда контролировалось измерением вольт-фарадных характеристик по сдвигу напряжения плоских зон (DVFB). DVFB зависело от типа подложки, величины импульса инжекции и времени инжекции и достигало значений ΔVFB ≈ 6 - 12 В. После этого четырехзондовым методом измерялась проводимость диоксида ванадия. Влияния электрического поля накопленного в нитриде заряда для структур I типа обнаружено не было, тогда, как для структур II типа наблюдалось смещение температурной зависимости проводимости (гистерезисная кривая) в область низких температур (рис.1).
Рисунок 1. Зависимость сопротивления (R) VO2 от температуры (Т): 1 - в исходном состоянии; 2 - после накопления заряда.
Смещение температурной зависимости проводимости для структур II типа, по нашему мнению, обусловлено увеличением концентрации электронов в слое VO2 на границе с нитридом кремния, что приводит к снижению температуры перехода в этой области (переход Мотта).
Полученные результаты подтверждают влияние эффекта поля на ПМИ в условиях исключающих тепловое действие токов утечки через изолятор, что позволяет рассматривать пленочные структуры на основе диоксида ванадия потенциальными базовыми элементами для быстродействующих устройств микро- и оптоэлектроники.
Работа выполнена при поддержке гранта Министерства Образования РФ и Американского Фонда Гражданских Исследований и Развития (CRDF) № PZ-013-02.
Список литературы:
- Бугаев А.А., Захарченя Б.П., Чудновский Ф.А. // Фазовый переход металл-полупроводник и его применение. Л.: Наука, 1979. - 183 с.
- Мокроусов В.В., Корнетов В.Н., // ФТТ. 1974. Т.16. В.10. С. 3106 - 3107
- Васильев Г.П., Сербинов И.А., Рябова Л.А. // Письма в ЖТФ. 1977. Т.3. В.8.