Физические основы разработки датчиков на основе эффекта переключения в диоксиде ванадия

Переключательные структуры на основе материалов с переходом металл-изолятор (ПМИ) с ВАХ, обладающей отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) S-типа (таким, как, например, диоксид ванадия VO2) [2], способны выполнять те же функции, что и стандартные полупроводниковые приборы с S-ОДС – тиристоры, лавинные транзисторы, p-i-n-диоды и т. д. [3]. Тем не менее, как показано в [7], такое использование эффектов ОДС («по прямому назначению») является не единственным и даже не самым главным. В частности, одно из важнейших прикладных направлений в этой области связано с использованием структур с ОДС в сенсорной технике. Необходимо отметить, что в настоящее время основная тенденция в производстве таких элементов, в том числе микросенсоров, связана с микроминиатюризацией. Малые размеры не только обеспечивают возможность интеграции, но и снижают потребляемую мощность и увеличивают быстродействие. Что каса- ется датчиков механических величин, преобразователей и актюаторов, то тенденция к миниатюризации имеет также свою логику, связанную с необходимостью контролировать систему, не влияя на ее свойства. Однако, как показано в [10], совершенно не очевидно, что миниатюризация должна базироваться на кремниевых датчиках [13] с использованием стандартных подходов на основе VLSI (very large scale integration, крупномасштабной интеграции). Поэтому поиск новых эффективных сенсорных материалов, в том числе для такой бурно развивающейся отрасли, как MEMS (микроэлектромеханические системы), является актуальной проблемой.

В целом можно сказать, что в настоящее время датчики являются поистине ключевыми элементами при автоматизации производственных процессов и научных исследований, в области мониторинга состояния окружающей среды и во многих других сферах. Исследования, направленные на создание датчиков нового типа, опираются на материалы, их свойства, равно как и на реализацию до сих пор не использовавших-

ся физических явлений. В частности, актуальной задачей является разработка датчиков температуры и поиск новых сенсорных материалов для них [9].

Каждый из методов измерения температуры специфичен и не обладает универсальностью, а выбор оптимального для данных условий метода определяется различными требованиями [9], [4], [13]: заданной точностью и длительностью измерений, диапазоном измеряемых температур, стоимостью, необходимостью регистрации и регулирования температуры, а также возможно -стью представления результатов в виде, удобном для ввода в компьютер и дальнейшей обработки. В частности, одним из перспективных направлений в данной области является разработка термодатчиков, основанных на зависимости частоты электрических колебаний от температуры. Достоинства метода частотного преобразования [4] - высокая разрешающая способность, стабильность параметров, удобство обработки выходного сигнала, возможность дистанционного измерения и высокий уровень помехозащищенности при передаче информации.

Таким образом, проблема поиска новых материалов для создания микросенсоров весьма актуальна, и важными аспектами этой проблемы являются совместимость с современной интегральной технологией, возможность реализации распределенных сетей (матриц) датчиков и целый ряд других требований, специфических для каждого типа чувствительных элементов сенсорных систем. В [7] показано, что соединения с переходом металл-изолятор (в особенности оксиды ванадия) и переключающие элементы на их основе являются перспективными материалами для создания подобного типа устройств.

В данной работе будут представлены результаты исследования температурных зависимостей частоты релаксационных колебаний, генерируемых VO 2 -переключателями, в которых электронное переключение обусловлено эффектом ПМИ в этом материале при Т t = 340 К [2]. Будет также проведен анализ их работы в качестве датчиков температуры. В результате будет показана принципиальная возможность создания датчика температуры с частотным выходом на основе этих структур.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

В качестве образцов для исследования использовались как анодные оксидные пленки (АОП) ванадия [17], так и пленки, полученные золь-гель методом, так как в [5] показано, что перспективным методом формирования VO 2 -переключателей является использование в качестве прекурсора ксерогеля V 2 O 5 х пН 2 О (n = 1,6-1,8).

В случае АОП базовым («нижним») электродом естественным образом является остающийся после анодирования слой металлического ванадия. Иная ситуация имеет место при исполь- зовании пленок V2O5-геля, для которых при получении сэндвич-структур металл-оксид-металл (МОМ) необходимо предварительно нанести металлический подслой на диэлектрическую (стекло, ситалл, кремний) подложку. Для нанесения подслоя использовалось термическое испарение и магнетронное распыление на установке ВУП-5М.

Для получения подслоя были опробованы различные металлы: медь, золото, сплав Pd-Au, никель, алюминий и ванадий. В большинстве случаев (Cu, Al, V, Pd-Au) наблюдалось химическое взаимодействие геля (обладающего кислотными свойствами [12]) с металлом, что выражалось в частичном растворении пленки металла и ее растрескивании (отслоении). При использовании Ni (особенно в случае достаточно тонкого слоя) сопротивление подслоя было слишком велико, что затрудняло проведение электрических измерений. С пленкой из золота гель химически не взаимодействует, однако подложку с напыленным Au гель смачивает хуже, чем стеклянную, поэтому невозможно получить пленки площадью более 1–2 см2. Кроме того, достаточно тонкие пленки золота также имеют относительно высокое электрическое сопротивление.

В результате этих исследований нам все-таки удалось найти практически идеальную подложку для нанесения геля пентаоксида ванадия – это система «ванадий + АОП V». При этом АОП просто играет роль буферного слоя, препятствующего прямому взаимодействию жидкого геля с металлическим ванадием, а при электроформовке происходит образование канала VO 2 насквозь, то есть через слой ксерогеля и через АОП (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение исследуемой структуры: 1 – ванадий; 2 – АОП V (d ~ 100 нм); 3 – пленка ксерогеля V 2 O 5 (d ~ 1 мкм); 4 – канал VO 2 ; 5 – электроды; в качестве верхнего электрода использовались напыленные слои металлов (Au, Al) и прижимной контакт – Au проволока диаметром 0,5 мм.

Электрофизические измерения проводились по стандартным методикам [5], [7], [8], [17] с использованием метода характериографа, а также с помощью прибора Keithley 2410 [16]; при этом скорость развертки напряжения была 10– 25 В/с, а ток ограничения варьировался в пределах от 10 до 150 мкА.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В схеме, содержащей элемент с S-образной ВАХ (рис. 2а), наблюдается генерация релаксационных колебаний, если линия нагрузки пересекает участок ОДС так, как показано на рис. 2б [3].

Частота релаксационных колебаний f r зависит от свойств структуры (параметров ВАХ образца), параметров внешней схемы ( С , R L , V 0 – см. обозначение на рис. 2) и от температуры, так как при изменении Т изменяются пороговое напряжение V th и соответствующий ему пороговый ток I th , сопротивление выключенного (OFF) состояния R OFF и другие характеристики. Величины R L и V 0 определяют область существования генерации, которая исчезает при изменении этих параметров, как только линия нагрузки выходит за пределы ОДС. В МОМ-структурах на основе АОП, в пределах области существования, f r относительно слабо зависит от V 0 (рис. 3). Параллельная емкость не влияет на область генерации, но частота сильно зависит от С . На рис. 4 представлена зависимость периода колебаний (см. рис. 2в) T r = ( f r )^-1 от C для одного из образцов. При больших значениях С период колебаний прямо пропорционально зависит от емкости.

Для анализа работы генератора рассмотрим зависимость периода T r от V 0 и C . Выражение для Т r можно получить из известной экспоненциальной зависимости напряжения от времени при зарядке конденсатора:

V (t) = V o [1 - exp(-t/τ)], (1) откуда [3]:

T_r = τ ln

V 0 - xV

V 0 - xV th

где x = (R L /R o ) + 1, а время релаксации τ = R L C / x .

Здесь учтено, что переключатель обладает собственным активным сопротивлением R 0 ≠ ∞; если R L << R 0 , то х = 1 и (2) переходит в обычную формулу для Т r (см., например, формулу (5.32) в [3]). На рис. 4 сплошной линией показана теоретическая (по уравнению (2)) зависимость Т r ( С ). Величины V o , V', V th и R L известны (см. подпись к рис. 4), а за величину внутреннего сопротивления S-диода принято значение R 0 = V th /I th = 215 кОм. Экспериментальные точки хорошо совпадают с теоретической прямой в области C > 10 нФ.

Рис. 2. Генерации релаксационных колебаний:

а – электрическая схема; собственное сопротивление «S-диода» (VO₂-переключателя) соответствует величине R_OFF ≈ V_th/I_th; б – ВАХ и линия нагрузки; в – осциллограмма напряжения выходного сигнала.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость частоты генерации от входного напряжения для VO2-сэндвич-переключателя на АОП

Рис. 4. Зависимость периода генерации от емкости параллельно включенного конденсатора

Точки – по данным эксперимента, сплошная линия – по формуле (2). R L = 1 МОм, V 0 = 40 В, V th = 4,5 В, V'= 1,4 В, I th = 21 мкА.

Уменьшение частоты генерации по сравнению с величиной, предсказываемой формулой (2), может быть связано с тем, что при малых С реактивное сопротивление образца имеет не емко стной, а индуктивный характер. Действительно, известно [3], что при положительной обратной связи по току (S-BAX) ток запаздывает относительно напряжения: для прохождения сигнала обратной связи требуется некоторое время. Поэтому реактивная составляющая полного сопротивления носит индуктивный характер. Однако индуктивность S-диода эффективно проявляется лишь на участке ОДС; она связана с неоднородностью (шнурованием) тока [6]. В режиме генерации VO 2 -переключатель большую часть времени проводит в допороговой области. Следовательно, неоднородное распределение плотности тока в образце имеет место уже при V < V th , что связано с протеканием тока не под всей площадью электрода, а по каналу малого радиуса (~ 1 мкм [7]) (рис. 1). Канал переключения в этом случае аналогичен допороговому (статическому) шнуру, возникающему в определенных условиях в переключателях на основе аморфных полупроводников [6] (в отличие от обычного стабильного шнура тока при I > I th ).

На рис. 5а представлены зависимости частоты генерации f r макетных образцов переключателей на основе АОП VO₂ от температуры. С учетом всего вышесказанного, данные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования указанных структур в качестве эффективных датчиков температуры, то есть о возможности реализации тонкопленочного миниатюрного (размер канала переключения, как сказано выше, составляет величину порядка 1 мкм) температурного сенсора с частотным выходом со следующими параметрами (см. рис. 5): диапазон температур - от 10 до 340 К, чувствительность – порядка 10³ Гц/К, уровень выходного сигнала по току – до 0,2 мА.

Аналогичные зависимости f r от температуры наблюдаются и для образцов на основе V 2 O 5 -геля. Осциллограмма таких колебаний представлена на рис. 5б. Следует подчеркнуть, что при этом технология их изготовления намного проще и дешевле [5] (что важно при массовом производстве), а разработанная методика нанесения геля на подложку из АОП ванадия исключает нежелательное взаимодействие оксида с металлом (см. раздел 2). Кроме того, легирование V 2 O 5 -геля вольфрамом стабилизирует параметры переключения [1], [15] (то есть минимизирует их статистический разброс, неизбежно вызываемый процессом предварительной электрической формовки [8]).

В заключение отметим, что аналогичная зависимость частоты релаксационных колебаний не только от температуры, но и от давления наблюдалась нами ранее для МОМ-структур на основе ксерогеля V 2 O 5 х пН 2 О [14].

Рис. 5.

а – Зависимость частоты генерации релаксационных колебаний от температуры для трех образцов сэндвич-переключателей «V-VO2-металл» с пороговым напряжением (при 100 К) Vth= 4,4 В (1, 2), 1,64 В (3) и 7,7 В (4). Напряжение питания и сопротивление нагрузки: 80 В и 1,4 МОм (1), 95 В и 1 МОм (2), 40 В и 0,6 МОм (3), 100 В и 1,05 МОм (4). б – Автоколебания в схеме с переключателем на основе V2O5-геля (фото с экрана осциллографа). Всплески тока соответствуют моментам резкого спада напряжения – см. рис. 2в.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зависимость пороговых характеристик сэн-двич-переключателей на основе АОП VO2 и гидратированного пентаоксида ванадия от температуры и давления, как показано в данной работе и целом ряде ранее опубликованных наших работ (и работ других наших коллег – сотрудников ПетрГУ) [1], [5], [7], [14], [17], указывает на возможность их использования в качестве тонкопленочных микросенсоров температуры и механических величин (давление, сила, перемещение и т. п.).

Количественные параметры исследуемых материалов, характеризующие их преимущества по сравнению с аналогами, – это широкий диапазон измеряемых температур и высокая чувствительность.

Что касается преобразователей давления, то следует подчеркнуть, что «вертикальная» (МОМ) конфигурация более предпочтительна по сравнению с планарным вариантом, при котором для регистрации сигнала требуется изгиб подложки. Кроме того, одним из требований, предъявляемых к механическим датчикам, преобразователям и актюаторам в MEMS-системах, является малая собственная масса, что исключает обратное взаимовлияние [10]. В настоящее время речь уже идет о создании NEMS – наноэлек-тромеханических систем. Поэтому сочетание идеологии нанолитографии по оксидам ванадия [7], [11], [17] с возможностью использования переключательных элементов на основе VO2 в сенсорной технике может оказаться достаточно эффективным направлением в области приложений материалов с ПМИ.

Необходимо отметить, что диапазон измеряемых температур может быть расширен в низкотемпературную область, так как нет принципиальных ограничений для работы VO2-перек-лючателей вплоть до температуры жидкого ге- лия и ниже. Важной особенностью предлагаемого варианта датчика также является его быстродействие: благодаря малым размерам и малым временам переключения (~10-10 с) [7], [8] инерционность будет определяться только величиной порядка (fr)-1, где fr – рабочая частота при данной температуре. Кроме того, фактически «точечная» структура «V-VO2-металл» не будет искажать распределение температуры вблизи себя, что позволит использовать набор таких датчиков для прецизионного измерения градиентов температуры, тепловых полей и т. п.

Сочетание таких качеств, как малые размеры и широкий диапазон измеряемых температур (наряду с вполне удовлетворительными показателями по точности измерений), является весьма редким и может найти применение при решении множества проблем, связанных с контролем, регулированием и измерением температуры [4], [13].

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009–2010)», проект № 4978. Авторы также благодарят Г. Б. Стефановича и А. А. Величко за участие в обсуждении и полезные замечания.