Vertikális kialakítású VO2 nanoszerkezetek vizsgálata

Az elektronika az egyik legdinamikusabban fejlődő tudományterülete az elmúlt évtizedeknek. A félvezető eszközök egyre kisebbek, és egyre több található meg egy egységnyi felületű chipen. Lassacskán már az eszközök működési határait feszegeti a méretcsökkenés, nem is beszélve az eldisszipálandó hőteljesítményről. Felmerül tehát a kérdés, hogy elvonatkoztassunk, és új jelenségeket vonjunk be az eszközök működésébe. Ennek egyik módja a hőmérséklet, hőenergia kihasználása, mint az információ hordozója. Erre egy lehetséges megoldást a VO2 biztosíthat.

A VO2 egy alacsony hőmérsékleten (67 °C) fém-félvezető átmenetet (MIT) mutató anyag. Az átmenet során a vezetési tulajdonságok jelentősen megváltoznak, akár 4-5 nagyságrendnyi változást is mutatnak [1]. Az átmenet akár nanoszekundumos sebességgel is le tud zajlani, ami tovább növeli az anyag kihasználhatóságát elektronikai eszközökben [2]. A VO2 MIT jelenségét már 1959-ben megfigyelték [3], és azóta is rengeteg kutatás alapját képezi.

A VO2 felhasználása sokrétű lehet, például használható logikai áramkörök kialakítására, melyben a hőmérséklet az információ hordozójaként hasznosul [4]. A VO2 segítségével lehetséges olyan oszcillátorokat kialakítani, melyek neuromorf áramkörökben használhatók [4-6]. VO2 réteg egy kis térrészét egy kívánt termikus munkapont beállítására használva, létrehozható egy hot-spot, amellyel a környezetében elhelyezett közeli VO2 alapú eszközök működése befolyásolható.

A dolgozatban vizsgált szerkezet Si hordozón növesztett termikus SiO2 rétegre porlasztással leválasztott Pt elektróda (25 nm vastag) és erre reaktív porlasztással VO2 (100 nm) vékonyréteg kerül. A VO2 felületén a második, felső elektróda azonos módszerrel kerül kialakításra. Az elektródák egymást keresztben fedik. Működés során a vertikálisan kialakított VO2 rétegben az áram gyakorlatilag csak az elektródák közti részen folyik, az áram Joule-hője pedig előidézi az MIT effektust.

A dolgozatban bemutatom az eszköz viselkedésének végeselem szimulációját és elektromos mérését, valamint a kapott eredmények összehasonlítását.

[1] N. F. Quackenbush, J. W. Tashman, J. A. Mundy, S. Sallis, H. Paik, R. Misra, J. A. Moyer, J.-H. Guo, D. A. Fischer, J. C. Woicik, D. A. Muller, D. G. Schlom and L. F. J. Piper, “Nature of the Metal Insulator Transition in Ultrathin Epitaxial Vanadium Dioxide,” Nano Letters, vol. 13, no. 10, pp. 4857-4861, 2013.

[2] Y. Zhou and A. Duwel, “Quick Switch: Strongly Correlated Electronic Phase Transition Systems for Cutting-Edge Microwave Devices,” IEEE Microwave Magazine, vol. 15, no. 6, pp. 32-44, 2014.

[3] F. J. Morin, “Oxides Which Show a Metal-To-Insulator Transition at the Neel Temperature,” Physical Review Letters, vol. 3, no. 1, pp. 34-36, 1959.

[4] J. Lappalainen, J. Mizsei and M. Huotari, “Neuromorphic thermal-electric circuits based on phase-change VO2 thin-film memristor elements,” Journal of Apllied Physics, vol. 125, 044501, pp. 1-10, 2019.

[5] W. Yi, K. K. Tsang, S. K. Lam, X. Bai, J. A. Crowell and E. A. Flores, “Biological plausibility and stochasticity in scalable VO2 active memristor neurons,” Nature Communications, vol. 9, 4661, pp. 1-10, 2018.

[6] E. Corti, B. Gotsmann, K. Moselund, A. M. Ionescu, J. Robertson and S. Karg, “Scaled resistively-coupled VO2 oscillators for neuromorphic computing,” Solid State Electronics, vol. 168, 107729, pp. 1-7, 2020.

szerző

• 
  Tafferner Zoltán
  Villamosmérnöki szak, alapképzés
  alapképzés (BA/BSc)

konzulensek

• 
  Dr. Neumann Péter
  adjunktus, Elektronikus Eszközök Tanszék
• 
  Dr. Mizsei János
  Egyetemi tanár, Elektronikus Eszközök Tanszék

helyezés