Herstellung und Charakterisierung von Niobpentoxid-Schichten mit schaltbarer elektrischer Leitfähigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des gemeinsamen Projektes der Namlab gGmbH und des Institutes für Werkstoffwissenschaft der TU Bergakademie Freiberg wurde Nb2O5 mit der physikalischen Schichtabscheidung (PVD) hergestellt und in Metall-Isolator-Metall-Strukturen integriert. Ziel war es, den Zusammenhang zwischen den Herstellungsbedingungen des Nioboxides und des Elektrodenmaterials der Phasenstabilität und der Mikrostruktur der Schichten, der Morphologie der Grenzflächen zwischen Metall und Isolator und den elektrischen Kennwerten des Schaltprozesses herauszuarbeiten. Dafür wurde Nb2O5 im oxidischen Modus von einem metallischen Niobtarget in einer Sauerstoff- Argon-Atmosphäre auf eine Platinbodenelektrode bei Raumtemperatur abgeschieden. Das so abgeschiedene amorphe Niobpentoxid kristallisiert in einer orthorhombischen Phase ab einer Temperatur von 600 °C. Die bevorzugte Kristallisation von Nb 2O5 an {111}-orientiertem Pt wird durch lokale Heteroepitaxie zwischen Pt und Nb2O5 begünstigt. Die Kristallisation der Niobpentoxidschicht führt zu einer inhomogenen und erhöhten Leitfähigkeit der Schichten. Im Al/Nb2O5/Pt-Stapel konnte sowohl amorphes als auch kristallines Niobpentoxid nach einem Formierprozess bipolar geschalten werden. Die kristalline Probe unterschied sich gegenüber der amorphen in einer geringeren Formierspannung und einem geringeren Widerstand im Aus-Zustand. Das homogene elektrische Verhalten wird in Hinblick auf eine mögliche zukünftige Anwendung als Speicherelement in einer großen Matrix bevorzugt, weshalb weitere Untersuchungen an amorphen Niobpentoxid durchgeführt wurden. Für die elektrische Charakterisierung wurden kreisrunde Deckelektroden aus Platin, Titan und Aluminium mit einem Durchmesser von 20 µm bis 450 µm aufgedampft und mittels Schattenmaske strukturiert. Anhand der Untersuchung der Morphologie und chemischen Zusammensetzung an den Grenzflächen zwischen Niobpentoxid und den ausgewählten metallischen Elektroden kommt es zu einem zusätzlichen Einflussfaktor auf die elektrischen Eigenschaften des Metall-Isolator-Metall- Stapels. Die Verwendung von sauerstoffreaktiven Deckelektroden führt zur Ausbildung einer amorphen Zwischenschicht bestehend aus dem jeweiligen Metalloxid des Elektrodenmaterials. Auf Grund der Redoxreaktion zwischen Elektrodenmaterial und Niobpentoxid wird Nb2O5 grenzflächennah reduziert und ein Sauerstoffgradient in der MIM-Struktur bildet sich aus. Die Projektergebnisse haben ergeben, dass dieser Gradient für ein erfolgreiches bipolares resistives Schalten notwendig ist. Dabei kann der Sauerstoffgradient entweder durch die Verwendung von sauerstoffreaktiven Elektrodenmaterialien oder durch Einfügen einer sauerstoffarmen NbO x erzeugt werden. Letzteres ermöglicht die genaue Einstellung des Gradienten über die gewählte Schichtdicke. Zudem weist die Pt/Nb2O5/NbOx/Pt-Struktur ein inhärentes varistorähnliches Auswahlelement, basierend auf dem Metall-Isolator-Übergang von NbO2, welches sich an der Grenze NbOx/Nb2O5 gebildet hat, auf. Die Verwendung von Aluminium als Boden- und Deckelektrode führt zu einem analogen Schaltverhalten infolge von Ladungseinfang in der sich ausgebildeten Zwischenschicht an der Bodenelektrode. Der Schalteffekt, der eine Flächenabhängigkeit aufweist, ermöglicht den Einsatz neben der Informationsspeicherung auch die Informationsverarbeitung und eröffnet somit neue Anwendungsfelder des Niobpentoxids, wie zum Beispiel den Einsatz in neuronalen Netzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011). The influence of crystallinity on the resistive switching behavior of TiO2. Microelectronic Engineering, 88 (7), 1148-1151
H. Mähne, S. Slesazeck, S. Jakschik, I. Dirnstorfer and T. Mikolajick
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(2012). Filamentary resistive switching in amorphous and polycrystalline Nb2O5 thin films. Solid-State Electronics, 72, 73-77
H. Mähne, L. Berger, D. Martin, V. Klemm, S. Slesazeck, S. Jakschik, D. Rafaja and T. Mikolajick
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(2012). Thermally activated crystallization of Nb2O5 grown on Pt electrode. Applied Physics A, 108(2), 431- 437
L. Berger, H. Mähne, V. Klemm, A. Leuteritz, T. Mikolajick and D. Rafaja
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(2013). Room temperature fabricated NbOx/Nb2O5 memory switching device with threshold switching effect. In Memory Workshop (IMW), 2013 5th IEEE International (pp. 174-177). IEEE
H. Mähne, H. Wylezich, S. Slesazeck, T. Mikolajick, J. Veselý, V. Klemm and D. Rafaja
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Analog resistive switching behavior of Al/Nb2O5/Al device. Semiconductor Science and Technology 29 (2014) 104002 (6 pp.)
H. Mähne, H. Wylezich, F. Hanzig, S. Slesazeck, D. Rafaja and T. Mikolajick
