ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК ОКИСЛОВ ТИТАНА ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МЕМРИСТОРНЫХ СТРУКТУР Нагайчук С.Г.,Аргунов Д.П.,Троян П.Е.,Жидик Е.В.,Змановский П.А.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники


Номер: 12-1
Год: 2016
Страницы: 129-132
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

мемристорные элементы, пленки оксида титана TiOи TiO, электрофизические параметры, memristor, titanium oxide film TiO and TiO, electrophysical parameters

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Приводятся результаты исследования электрофизических свойств пленок диоксида титана, полученных методом реактивного магнетронного распыления, стехиометричного (TiO) и нестехиометричного (TiO) составов, используемых для создания мемристорных элементов энергонезависимой памяти. Показано, что нестехиометриченые пленки TiO имеют более высокую проводимость. В структурах с двухслойным диэлектриком TiO - TiO электрическая прочность определяется прочностью пленок TiO. Значения диэлектрической проницаемости пленок TiO и TiO существенно различаются.

Текст научной статьи

Введение Реалии современных будней таковы, что современные информационные задачи требуют непрерывного наращивания вычислительных мощностей, как гражданских персональных компьютеров, так вычислительных комплексов военного назначения. Применение элементов памяти на основе мемристорных ячеек позволит спроектировать и создать более эффективные вычислительные системы для решения сложных задач. Мемристор - это пассивный элемент электроники, ключевой особенностью которого является способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от прошедшего через него электрического заряда. Так как элементы памяти мемристорного типа на основе окислов титана имеют большой потенциал к применению в электронной вычислительной технике, следовательно исследование их электрофизических параметров является важной задачей. В данной работе рассматривается исследование параметров МДМ-структур на основе пленок оксидов титана. Экспериментальная часть Пленки TiO2 получались реактивным магнетронным распылением титановой мишени ионами смеси газов аргона и кислорода, в результате которого на поверхности подложки осаждается тонкая оксидная пленка [1, 4], [2, 77]. Пленки TiOx так же получались магнетронным распылением, но в качестве газовой среды применялся только аргон. Далее представлены параметры процесса напыления пленок TiO2 в атмосфере аргона и кислорода: давление смеси газов 10-2 мм рт. ст.; разрядный ток 300 мА; скорость осаждения 6 нм/мин. Полученная толщина телёнок составляет приблизительно 54 нм. Для получения пленок TiOx использовалась атмосфера аргона без кислорода, процесс напыления осуществлялся при следующих параметрах: давление 10-2 мм рт. ст.; разрядный ток 300 мА; скорость осаждения 4,5 нм/мин. Полученная толщина телёнок составляет приблизительно 25 нм. Состав полученных пленок был определен посредством рентгеноспектрального микроанализа на электронном сканирующем микроскопе Hitachi TM-1000. По результатам анализа для пленки TiO2 содержание кислорода составляет 69,2%, а содержание титана 30,8%. Соответственно в случае полного окисления на каждый атом титана приходится два атома кислорода (TiO2), то есть процентное содержание кислорода будет составлять 66%, а титана 33%. Наличие излишнего кислорода объясняется адсорбцией воды на поверхности пленки и окислением подложки. Анализ состава показал, что в пленке TiOx содержится 40,1% титана и 59,9% кислорода. Из чего следует, что в пленке имеется недостаток кислорода. Можно сделать вывод, что полученные пленки будут обладать большей электрической проводимостью, поскольку на каждые два атома кислорода приходится 1,3 атома титана. На подложках из стекла были получены МДМ-структуры Al-TiO2-Al и Al-TiOx-Al (каждая подложка содержала порядка 20 структур). На измерителе иммитанса E7-23 были проведены измерения электрического сопротивления полученных МДМ-структур. Экспериментальные результаты измерений, а также их усредненные значения представлены в таблице 1. Таблица 1 Значения сопротивления пленок TiOx и TiO2 Образец № Материал диэлектрика TiOx TiO2 1 Сопротивление, Ом 1,3∙103 1,8∙106 2 1,9∙103 3,0∙106 3 5,0∙103 1,5∙106 4 8,0∙103 5,0∙106 5 12,0∙103 4,0∙106 Среднее значение сопротивления, Ом 5,6∙103 3,1∙106 Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что сопротивление пленок TiO2 на три порядка больше сопротивления пленок TiOx. Полученные данные подтверждают выдвинутое предположение о увеличении электропроводности пленок TiOx по отношению к пленкам TiO2. В полученных структурах на основе окислов титана Al - TiO2 - Al, Al(Ni) - TiO2 - (Ni)Al и Mo - TiOx - TiO2 - Cu были исследованы некоторые свойства, одним из которых являлась величина напряжения пробоя пленок. Затем была рассчитана величина электрической прочности материалов диэлектриков, толщина которых составляла порядка 100 нм. Полученные в результате измерений значения пробивного напряжения и рассчитанная величина электрической прочности для полученных МДМ-структур были занесены в таблицу 2. Таблица 2 Величина напряжения пробоя и значение электрической прочности пленок TiOx и TiO2 Образец № Al - TiO2 - Al Al(Ni) - TiO2 - (Ni)Al Al - TiOx - TiO2 - Al Uпроб, В Eпр, В/м Uпроб, В Eпр, В/м Uпроб, В Eпр, В/м 1 180 1,80∙109 205 2,05∙109 205 2,05∙109 2 225 2,25∙109 195 1,95∙109 203 2,03∙109 3 200 2,00∙109 200 2,00∙109 174 1,74∙109 4 175 1,75∙109 202 2,03∙109 203 2,03∙109 5 202 2,03∙109 198 1,98∙109 185 1,85∙109 6 225 2,25∙109 204 2,04∙109 186 1,86∙109 Среднее 201 2,01∙109 201 2,01∙109 193 1,92∙109 Согласно данным, приведенным в таблице 2, полученные структуры на основе TiO2 и комбинации TiOx - TiO2 обладают схожими значениями электрической прочности. Со структур Mo - TiO2 - Ni и Mo - TiOx - TiO2 - Cu, сформированных на подложке типа «керн» [3, 113] (рисунок 1), были измерены значения электрической емкости. После чего для каждой структуры была рассчитана величина диэлектрической проницаемости по приведенной ниже формуле. , (1) где С - электрическая емкость; d - толщина пленки диэлектрика; S - площадь конденсаторной структуры; ε0 - электрическая постоянная. Рис. 1. Схематическое изображение полученных структур на подложке типа «керн» Полученное значение величины диэлектрической проницаемости для МДМ-структуры с диэлектриком TiO2 совпадает с табличным значением для данного материала. Для структуры, состоящей из комбинации TiOx - TiO2 величина диэлектрической проницаемости нестехиометричного слоя TiOx выражается из диэлектрической проницаемости структуры по следующей формуле: , (2) где θTiO2, θTiOx - объемные доли диэлектриков в конденсаторной структуре; εTiO2, εTiOx - диэлектрические проницаемости диэлектриков. Результат измерений значений емкостей полученных МДМ-структур, а также рассчитанные значения электрической проницаемости данных диэлектриков представлены в таблице 3. Таблица 3 Характеристики полученных пленок диоксида титана Образец № Mo - TiO2 - Ni Mo - TiOx - TiO2 - Cu C, пФ εTiO2 C, пФ ε εTiOx 1 1320 29,8 165 5,22 1,84 2 1300 29,4 128 4,05 1,38 3 1470 33,2 308 9,74 3,89 Среднее значение 1363 30,8 200 6,30 2,40 Емкость МДМ-структур на основе диэлектрика TiO2превышает на порядок емкость МДМ-структур на основе комбинации диэлектриков TiOx - TiO2. Можно сделать вывод, что пленки TiO2 обладают большим значением диэлектрической проницаемости относительно пленок TiOx. Заключение На примере МДМ-структур с тонкими пленками TiOx и TiO2 был изучен ряд электрофизических параметров данных материалов. Получены значения электрического сопротивления, напряжения пробоя, емкости, электрической прочности, диэлектрической проницаемости. Эксперимент показал, что величина электрического сопротивления пленок TiO2 на порядок больше величины электрического сопротивления пленок TiOx. Это можно связать с недостатком кислорода в пленке TiOx. Результаты эксперимента свидетельствует о том, что МДМ-структуры с диэлектриком TiO2 и комбинацией TiOx - TiO2 имеют близкие значения электрической прочности. Так же можно сказать, что пленки TiO2 имеют большую диэлектрическую проницаемость, чем пленки TiOx. Электрическая прочность полученных пленок больше значений электрических полей, при которых происходят изменения в структуре пленок, при наблюдении мемристорного эффекта, что свидетельствует о возможности применения данных материалов при создании мемристорных элементов памяти.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.