Твердотельные транзисторы в свое время сделали большой прорыв в мире микроэлектроники и обеспечили нас дешевыми и быстрыми методами обработки данных. Однако современные транзисторы имеют большие ограничения по размерам. При приближении размеров транзисторов к нанометровому диапазону возникают проблемы, связанные с квантовыми эффектами, а именно с повышением величины туннельного эффекта [6]. Другой проблемой современных твердотельных транзисторов является их нестабильная природа: они требуют большой запас энергии для поддержания текущего состояния памяти. Таким образом, разработки в области создания новых методов и электронных приборов обработки и хранения информации продолжаются. Решением вышеназванных проблем, связанных с созданием низкоразмерных и энергонезависимых приборов, обладающих эффектом памяти, может служить разработка мемристоров [4,5].
В качестве материалов для создания рабочих элементов мемристоров применяют материалы на основе оксидов переходных металлов, таких, как TiO2, VOx, NiO, ZrO2, ZnO. CuOx, которые получают в виде нанокомпозитных слоев или многослойных структур [2]. Наиболее распространенным и более всего изученным является ТiO2, однако современные темпы развития микроэлектроники требуют поиска новых материалов и технологий их создания для развития данного направления. Довольно перспективными являются материалы на основе оксидов меди СuO и Cu2O [3,7], что может быть связано, например, с подвижностью ионов Cu + и их способностью диффундировать сквозь кристаллическую решетку, в которой создаются вакансии для заполнения их кислородом.
Цель работы заключается в разработке технологии создания тонкопленочного материала на базе оксидов меди для применения его в качестве рабочих элементов мемристорных структур.
Материалы и методы исследования
Для формирования пленок состава CuOx был использован цитратный золь-гель метод. Применение данного метода не требует сложного технологического оборудования и обеспечивает получение пленочных материалов с воспроизводимыми параметрами заданного состава при фиксированных условиях осаждения и термообработки, что является особенно важным для создания материалов с эффектом памяти. Возможность контроля свойств материала на всех стадиях технологического процесса позволяет получать материал с известной величиной ширины запрещенной зоны и заданной дефектностью структуры, которые являются одними из основных характеристик при описании свойств мемристоров.
Толщины пленок были измерены посредством метода интерференционной спектроскопии. Фазовый состав определялся с помощью метода рентгенофазового анализа (РФА).
Результаты исследований
и их обсуждение
В данной работе была разработана технология формирования тонкопленочного оксидного материала состава CuOx с применением золь-гель метода. Изначально был приготовлен золь на основе этиленгликоля с добавками спиртово-водного раствора СuCl2 и лимонной кислоты. Этиленгликоль обычно берут в избытке, поскольку гидроксильные группы стабилизируют в растворе металл-цитратные комплексы и способствуют образованию низкомолекулярных олигомеров. Лимонную кислоту добавляют для закисления золя, что способствует образованию вязкого раствора. Далее приготовленные растворы выдерживались в течение 24 часов для приобретения пленкообразующих свойств при pH = 4.
На следующем этапе готовый раствор наливали в чашку Петри и в него помещали термически окисленную кремниевую пластину. Пластина выдерживалась в растворе в течение нескольких дней при комнатной температуре с периодическим перемешиванием раствора. В завершении образцы проходили двухступенчатую термическую обработку: сушка при 200 °С; отжиг при 500 °С. Стадия термической обработки является важной в формировании материалов с заданными характеристиками. При нагревании выше 100 °С молекулы этиленгликоля и лимонной кислоты вступают в реакцию поликонденсации, которая приводит к образованию полимерного геля с включенными в него молекулами цитратов. При нагревании выше 400 °С начинаются процессы окисления и пиролиза полимерной матрицы, приводящие к образованию рентгеноаморфного оксидного прекурсора. Последующая термическая обработка этого прекурсора позволяет получить нужный материал с высокой степенью однородности и дисперсности. Так, в результате были сформированы пленочные материалы толщиной порядка 0,1 мкм.
Поверхность полученных материалов была исследована методом РЭМ (рисунок).
РЭМ-изображение поверхности пленочного материала состава CuOx
На поверхности пленки можно отметить образование кристаллитов оксидов меди, фазовый состав которых был изучен методом РФА. В результате обнаружено одновременное присутствие оксидов CuO и Cu2O. Средний размер кристаллитов, оцененный по формуле Шерера, составил порядка 70 нм.
Выводы
В результате разработана технология формирования тонкопленочных материалов состава CuOx.с использованием цитратного золь-гель метода. Проведены исследования фазового состава полученных материалов. Показано, что материалы имеют нестехиометрический состав с одновременным присутствием фаз CuO и Cu2O, что является характерным для использованных температур обработки. Для получения более стабильной фазы Cu2O, используемой в качестве основы для производства рабочих элементов мемристоров, следует использовать более низкую температуру отжига материала: порядка 250–300 °С [1].
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (гос. соглашение №14.A18.21.0107) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.
Рецензенты:
Агеев О.А., д.т.н., профессор, директор Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета, г. Таганрог;
Жорник А.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии физико-математического факультета, ФГБО ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт имени
А.П. Чехова», г. Таганрог.
Работа поступила в редакцию 16.10.2012.
Библиографическая ссылка
Мясоедова Т.Н., Моисеева Т.А., Петров В.В., Кошелева Н.Н. Разработка технологии формирования оксидных материалов для мемристорных структур // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-2. – С. 447-449;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30555 (дата обращения: 13.10.2024).