УДК 537.311.322:538.975
ПЕРГАМЕНТ А. Л., СТЕФАНОВИЧ Г. Б.,

ВЕЛИЧКО А. А., ПУТРОЛАЙНЕН В. В.,

ЧЕРЕМИСИН А. Б., АРТЮХИН Д. В, СТРЕЛКОВ А. Н.
ЭФФЕКТЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ И ПАМЯТИ В СТРУКТУРАХ НА
ОСНОВЕ ОКСИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Петрозаводский государственный университет
185910, Россия, Петрозаводск, e-mail: aperg@psu.karelia.ru
Эффект моностабильного (порогового) и бистабильного (с па-
мятью) переключения первоначально был обнаружен в халькогенид-
ных стеклообразных полупроводниках (ХСП) [1, 2]. Позже было уста-
новлено, что электрические неустойчивости различного типа
(электроформовка, пороговое переключение, эффекты памяти) могут
наблюдаться в самых разнообразных материалах, в частности - в це-
лом ряде оксидов переходных металлов (ОПМ) [3, 4]. В последнее
время интерес к исследованиям материалов электронной техники, об-
ладающих эффектом переключения, возобновился [4], в основном, в
связи с необходимостью разработки новых запоминающих устройств
(ЗУ) [5]. Несовершенство современных полупроводниковых ЗУ за-
ставляет исследователей искать новые быстродействующие, энергоне-
зависимые и недорогие устройства хранения информации. Однако лю-
бая новая предлагаемая память, чтобы утвердиться, должна
превосходить технико-экономические характеристики доминирующих
технологий, а также - основные показатели существующих ЗУ, такие
как, прежде всего, быстродействие, плотность записи и потребляемая
мощность.
В данной работе представлены результаты исследования явле-
ний ОДС (отрицательного дифференциального сопротивления) в ши-
роком классе оксидов переходных металлов. Основная цель этих ис-
следований состоит в том, чтобы установить физический механизм
переключения в соединениях переходных металлов, а также в некото-
рых других материалах. Кроме того, изучена возможность применения
тонкопленочных МОМ структур на основе ОПМ в качестве альтерна-
тивных элементов ЗУ.
Исследованы электроформовка (ЭФ) и переключение в тонкоп-
леночных структурах на основе аморфных (анодных) оксидов сле-
дующих металлов: V, Ti, Fe, Nb, Мо, W, Hf, Zr, Мn, Y, Ni, Ta. Типич-
ная ВАХ с ОДС S-типа показана на рис.1. В структурах на основе W,
Fe и Hf формовка проводилась при температуре 77 K, поскольку при
комнатной температуре переключение не наблюдалось. Характерной
особенностью переключения в оксидах Ta, Мо, Hf, Ni и, в меньшей
степени, W является неустойчивость параметров.


Рис.1. ВАХ структуры V-VO2-металл при комнатной температуре.
Толщина пленки оксида ванадия d = 120 нм.
Пороговое напряжение Vth ~ 2,5 В.

Переключение S-типа не наблюдалось в системах на основе Zr,
Y и Mn. Вместо этого, данные материалы иногда демонстрировали N-
образные ВАХ при T=293 K (Zr и Y) или T=77 K (оксид Mn).
На рис.2 показаны зависимости Vth(T) для структур на основе
оксидов Fe, V, Ti и Nb. С ростом температуры Vth уменьшается, стре-
мясь к нулю при некоторой конечной температуре То. Величины То
практически совпадают для различных образцов на основе одного и
того же оксида, но значительно различаются для разных оксидов. Для
структур на основе Nb2O5 (рис.2, кривая 4) данная пороговая темпера-
тура превышает 600 K (~1000 K), а для WO3 То находится в диапазоне
150-250 K. Сравнение этих температур (см. рис.2) с температурами
фазового перехода металл-изолятор (ПМИ) [6] некоторых соединений
(Tt=120 K для Fe3O4, ~200 K для WO3-x, 340 K для VO2, ~ 500 K для
Ti2O3 и 1070 K для NbO2) показывает, что эффект переключения свя-
зан с ПМИ [3]. Каналы, состоящие из указанных низших оксидов, об-
разуются в исходных анодных пленках в процессе ЭФ. S-образная
ВАХ обусловлена развитием электротермической неустойчивости в
канале переключения: при приложении напряжения канал нагревается
до T=Tt (при V=Vth) электрическим током. В сильных электрических
полях (105-106 В/см) необходимо учитывать возможность влияния
электронных эффектов на ПМИ [3, 7]. Индуцированное полем увели-
чение концентрации носителей будет приводить к экранированию ку-
лоновских взаимодействий и к схлопыванию Мотт-Хаббардовской
энергетической щели при T < Тt. Такой переход может также быть ва-
жен в тех материалах, в которых отсутствует обычный ПМИ по темпе-
ратуре с хорошо определенной Тt, например, в оксидах Ta [3] и Y [8], а
также в ХСП [2]. Более того, переключение N-типа в структурах на

основе Y, Zr и Мn можно также объяснить неравновесным (в данном
случае, инверсным) ПМИ [8].
Далее мы исследовали эффекты переключения в некоторых из
указанных материалов более детально с помощью автоматизированной
установки на базе ПК, микроконтроллера PCI-1202 и специально раз-
работанного программного обеспечения на LabView. Во многих из
исследованных оксидов были обнаружены эффекты памяти, аналогич-
ные тем, что наблюдались ранее в ХСП [1] и NiO [4]. Дальнейшие ис-
следования необходимы для понимания физического механизма бис-
табильного переключения и для оценки возможного применения
перключательных структур на основе ОПМ в качестве элементов ЗУ.


Рис.2. Зависимость Vth (в отн. ед.) от температуры
для оксидов Fe (1), V (2), Ti (3) и Nb (4) [3].
Работа выполнялась в рамках программ "Фундаментальные ис-
следования и высшее образование" и "Развитие научного потенциала
высшей школы", поддерживаемых Министерством образования и нау-
ки РФ и Американским фондом гражданских исследований и развития
(CRDF), грант RUX0-000013-PZ-06.

1. С. А. Костылев, В. А. Шкут. Электронное переключение в аморф-
ных полупроводниках. Киев: Наукова думка, 1978.
2. К. Д. Цэндин, Э. А. Лебедев, А. Б. Шмелькин Неустойчивости с S-
и N-образными вольт-амперными характеристиками и фазовые пе-
реходы в халькогенидных стеклообразных полупроводниках и по-
лимерах ФТТ, т.47, 427 (2005).
3. А. Л. Пергамент, Г. Б. Стефанович, Ф. А. Чудновский, Фазовый
переход металл-полупроводник и переключение в оксидах переход-
ных металлов ФТТ, т.36, 2988 (1994).

4. S. Seo, M. J. Lee, D. H. Seo et al "Reproducible resistance switching in
polycrystalline NiO films" Appl. Phys. Lett., v.85, 5655 (2004).
5. J. C. Scott "Is There an Immortal Memory?" Science, v.304, n.5667, 62
(2004).
6. Н. Ф. Мотт. Переходы металл-изолятор. М.: Наука, 1977.
7. A. Pergament, G. Stefanovich "Metal-insulator transition and electronic
switching in compounds of transition metals" 13th Int. Congress on Thin
Films, 8th Int. Conf. on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and
Nanostructures (ICTF 13/ACSIN 8), Stockholm 2005, Abstract Book,
p.127.
8. A. L. Pergament, V. P. Malinenko, O. I. Tulubaeva, L. A. Aleshina.
Electroforming and switching effects in yttrium oxide Рhys. stat. sol.
(a), v.201, 1543 (2004).


Document Outline