アモルファスTiO2およびNiOの高周波抵抗スイッチング挙動

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13804 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

遷移金属酸化物 (TMO) の抵抗スイッチング (RS) は、次世代の不揮発性メモリの開発にとって魅力的な選択肢となっているだけでなく、必要な高周波および高速スイッチングをサポートできる適切な材料群としても注目されています。 6Gなどの次世代無線通信技術に対応。 RS の正確なメカニズムはまだ明確には理解されていません。ただし、活性化時の各酸化物の準化学量論的導電性フィラメント (マグネリ相) の形成と破断に関連していることは広く受け入れられています。ここでは、DC 領域と高周波モードの両方におけるアモルファス TiO2 と NiO のスイッチング挙動を調べます。アモルファス TiO2 の DC 抵抗は活性領域の長さによって変化しないことを示します。対照的に、NiO サンプルの抵抗は長さに強い依存性を示し、長さが増加すると DC 抵抗が減少します。さらに、オン状態での挿入損失とオフ状態での絶縁に反映される TiO2 の高周波スイッチング特性が、NiO の高周波スイッチング特性よりもはるかに優れていることを示します。基本的な推論はこれらの発見に由来しており、これは二元/多元酸化物の伝導機構についての理解を深めただけでなく、新興の不揮発性メモリや6Gミリ波アプリケーションでの二元/多元酸化物の広範な使用を可能にするために不可欠です。 TMO によってサポートされる可能なアプリケーションの例として、ここに示す反射型可変減衰器 (RTVA) があります。 15 GHz の中心周波数で動作するように設計されています。結果は、最大挿入損失 2.1 dB で 18 dB 以上のダイナミックレンジを備えていることを示しています。

次世代の不揮発性メモリ (NVM) の開発は、非充電ベースのメカニズムによって推進されることが広く期待されています。これは、ダイナミックランダムアクセスメモリ (DRAM) などのチャージベースメモリのスケーリング制限によるものです。抵抗スイッチングランダムアクセスメモリ (RRAM) は、製造の複雑さが低く、スイッチング速度とパフォーマンスが優れているため、DRAM に代わる主な候補の 1 つとして大きな注目を集めています1、2、3、4、5、6、7、8。、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24。さらに、高いスイッチング速度と高いダイナミックレシオが、次世代通信システムの開発の主な推進力となると予想されます。

遷移金属酸化物 (TMO) に基づく抵抗スイッチング (RS) の背後にある物理メカニズムは、一般に誘電状態から導電状態への可逆的遷移につながる現象の正確な性質を解釈するという課題に固体物理学を突きつけています。モット転移13． VO2 における金属 - 絶縁体転移は、現在では (均質な) バルク現象であると受け入れられています 25 が、残りの TMO の RS の働きは、導電性フィラメントの形成と破断に起因すると考えられます。ＤＣバイアス電圧の印加または温度上昇により、材料の内部に図１および図２に示されるような変化が生じる。この目的を達成するために、TinO2n-13、14 および NiO26 の電流と電圧のその場測定を通じて、フィラメント伝導機構が実験的に確認されました。導電性フィラメントの形成は、TMO に DC バイアス電圧を印加する電鋳プロセス 5,12 によって開始され、化学量論以下の導電性フィラメント (ソフト絶縁破壊) が生成されます (図 2b)。 DCバイアス電圧を反転すると、TMO内部の化学量論が部分的に回復し、その結果、導電性フィラメントが破断します（図2c）。この状態では、TMO セルは電気的に導通していないため、RESET 状態と呼ばれます。セルは、図 2d の SET 状態に示すように、DC 電圧を再印加することでガルバニック伝導性を回復できます。

電鋳された結晶状態の遷移金属酸化物のフィラメントの図。 DC バイアス電圧を印加するとスイッチング動作が発生し、導電経路が確立されます。

導電性フィラメントの形成と破断 (電鋳); (a) 初期状態、(b) フィラメントの電鋳、(c) フィラメントの破断、RESET 状態、および (d) 可逆的な SET 状態。

二元/多元酸化物のスイッチング機構を理解するという問題に対する古典的なアプローチは、シリコン結晶の物理的特性と同様の方法で物理的特性を扱うことに基づいているため、誤っている可能性があります11。実際、二元/多元酸化物の欠陥の次数がシリコン結晶よりも 10 ～ 12 桁高いという事実により、このアプローチは最初から問題になります。これには、欠陥の少ない、より高品質な結晶が必要であると思われる一方で、RS が多くのアモルファス TMO で観察されていることを指摘する必要があります。したがって、TMO の欠陥は、「完全な」RS の達成にとって望ましくない構造とみなされるべきではありません。むしろ、目標は、高いダイナミックレシオ、高いスイッチング速度、優れた電気的性能を達成することを目的として、「完璧な」不完全性を形成/エンジニアリングすることにあるべきです。したがって、TMO に関する RS の正確な理論やモデリングは無視できず、実際に材料内の欠陥の役割を考慮する必要があります。欠陥は、その正確な性質に応じて、「0D」(ショットキー障害やフレンケル障害などの点欠陥)、「1D」、「2D」、および「3D」拡張欠陥に分類できます。活性化および欠陥凝集プロセスにおいて、これらの不完全性は、酸化物が非化学量論的導電性フィラメントであるマグネリ相に転移する際に重要な役割を果たします。したがって、RS の活性化状態での導電性の程度は、「正しい」タイプの欠陥を持つことによって改善されます。巨視的な観点から見ると、導電性フィラメントの化学量論的性質に応じて、二元/多元酸化物は、それぞれの作動状態で n 型半導体 (TiO2 など) または p 型半導体 (NiO など) と見なすことができます。。

ミリ波アプリケーションにおける TMO の使用は、主にバナジウム酸化物 (VOx) の結晶質酸化物に限定されてきました 15、16、17、18、19、20、21、22。たとえば、参考文献 15 では、直列および並列スイッチ構成を形成するために反応性レーザーアブレーションを使用してコプレーナ導波路 (CPW) 上に堆積された厚さ 200 nm の VO2 層が、5 ～ 35 GHz の周波数範囲で特性評価されています。このようにして形成されたスイッチは、熱的（温度を 340 K 以上に上昇させて絶縁体の金属転移を可能にする）と電子的（電荷注入による）の両方で作動しました。報告されているダイナミックレンジは約 25 dB、挿入損失は約 0.8 dB です。 VO2 のスイッチング速度は蒸着技術に大きく依存し、1 ps17 から数 ns18,19 の範囲であると報告されています。 TaOx と ZrOx についても同様のスイッチング速度が記録されています 23,24。特性評価を目的とした VOx 以外の TMO の使用と、RF およびミリ波デバイスのコンテキストでの使用は比較的未開発であり、知識と応用の両方にギャップが残されています。ここでは、最大 20 GHz までの DC 領域と高周波領域の両方をカバーするアモルファス (アナターゼ相) TiO2 と NiO のスイッチング挙動を調べます。この文書は次のように構成されています。「スイッチの構造」では、スイッチの構造が示され、説明されています。「DC の結果」および「高周波の結果」には、DC および高周波の特性評価結果が表示されます。「RF スイッチと減衰器」はアプリケーションに特化し、「結論」は結論に特化しています。

提案されたスイッチの形状を図 3 に示し、作製したデバイスの 1 つの顕微鏡写真を図 4 に示します。キャリア基板は、厚さ 600 μm の n ドープ Si ウェハで、表面抵抗率は 100 Ω です。 cm、誘電率 \({\varepsilon }_{r}=11.9\)。 Si ウェハの上部には 200 nm の熱酸化物が成長し、酸化物層の上部に堆積された金 (Au) グランドプレーンから導電性 Si 層を分離します。パターン化された Au グランドプレーンの厚さは約 500 ～ 600 nm で、接着を助けるために金層の下に 10 nm の薄い Ti 層があります。 Au 上部電極の厚さも 500 ～ 600 nm で、Ti 接着層は 10 nm です。上部の Au 電極、つまり図 3 の構造のアノードの幅は WTMO = 8 µm で、その長さは LTMO = 1 mm から LTMO = 5 mm まで変化します。上部電極は、部分的に SiO2 基板上に、部分的に TMO 層上に堆積されます。 TMOの厚さは約200nmです。金属層と TMO 層は、電子ビーム蒸着とリフトオフを使用して堆積されました。 TMO 層、NiO および TiO2 は、適切な化学量論を維持するために酸素富化雰囲気下で化合物ソースから蒸着されました。偏光解析法 (Rudolph Auto ELII) と表面形状測定法 (KLA P7) をそれぞれ使用して、TMO フィルムの屈折率と厚さを測定しました。次に、これらの測定値から化学量論を推定しました。

スイッチ構造: (a) 斜視図、(b) 上面図、(c) 材料スタック、および (d) CPW とマイクロストリップの遷移の拡大図。

作製した TMO 構造の顕微鏡写真: (a) 電界放射型走査型電子顕微鏡 (FESEM) を使用して取得した、上部の金線、TMO、およびグランドプレーンを示す劈開構造の画像、(b) マイクロストリップラインの拡大上面図、および (c) 上面測定装置の半分の図。リフトオフによるマイクロストリップライン (b) のエッジの「カール」は明らかで、厚さは 40 nm と推定されます。

フィールド内の電極間の SiO2 絶縁層は、プラズマ化学蒸着 (STS PECVD) を使用して堆積され、反応性イオンエッチング (プラズマサーム ICP/RIE) を使用してパターン化されました。アクティブ TMO 領域は、長さ Ltr = 2,015 μm の 2 つのコプレーナ導波路 (CPW) からマイクロストリップへの移行部の間に挟まれており、露出パッドの長さは LCPW = 400 μm です。 CPW マイクロストリップトランジションは、1 ～ 20 GHz の対象周波数範囲全体で低反射になるように特別に設計されています。ここで追求した CPW からマイクロストリップへの遷移の代わりに、非対称コプレーナーストリップライン (ACS) を使用してマイクロストリップへの遷移 27 を使用して、同じ効果を達成することもできることは言及する価値があります。ただし、ACS の非対称性により、この方法で形成された構造により、未知のパラメーターの抽出がより困難になる可能性があります。

図 5 は、DC および高周波性能の測定に使用される測定セットアップを示しています。ここでは、ベクトルネットワークアナライザ (VNA) がバイアスティーを介して被測定デバイス (DUT) (図 3 に示す) に接続され、構造の DC バイアスが可能になります。 DC テスト中、VNA のスイッチはオフのままで、電圧と電流は外部の電圧計と電流計で測定されます (図 5)。絶縁体から金属への転移 (マグネリ相の形成) の開始時であるため、デバイスが暴走動作を示す可能性がある場合、セットアップに R = 600 Ω の電流制限抵抗が追加されます。 TiO2 と NiO を使用して製造され、活性領域の長さが 1 mm、2 mm、および 5 mm のいくつかのデバイスがテストされました。この目的のために、DC 電圧を徐々に増加させ、DC 電流を監視しました (図 6)。この図を参照すると、NiO サンプルと TiO2 サンプルに印加された DC バイアス電圧が同一ではないことに注意することが重要です。ここで、TiO2 サンプルに印加できる最大 DC バイアス電圧は長さに依存せず、7 V であることが経験的に観察されました。DC バイアス電圧をこの値を超えて増加させると、おそらくジュールが原因でサンプルが破壊されます。暖房。 NiO サンプルでは状況が多少異なります。この場合、サンプルに印加できる最大 DC バイアス電圧は、サンプルの長さに応じて経験的に決定されます。 NiO の長さが 1 mm、2 mm、5 mm の場合、それぞれ 12 V、13 V、14 V になります。さらに、オフ状態の DC 抵抗は TMO の種類とその長さに関係なく高いままであるにもかかわらず、完全なオン状態の抵抗は TMO の種類に依存することが観察されました。たとえば、活性 NiO 領域の長さが 1 mm、2 mm、5 mm の場合、フルオンで測定された DC 抵抗はそれぞれ 300 Ω、185 Ω、93 Ω になります。対照的に、活性領域の長さが同じ場合、TiO2 サンプルのフルオン DC 抵抗は 18.4 Ω から 21.8 Ω まで変化し、比較的小さくなっています。この挙動は、NiO で作用するものと TiO2 で作用するものという 2 つの異なる伝導機構を示しているため、洞察力に富んでいます。アモルファス NiO サンプルでは、化学量論に満たない導電性フィラメントのサイズが TiO2 の導電性フィラメントよりも小さく、また、フィラメントの数が (NiO 領域の) 長さに比例すると推測できます。 TiO2 サンプルに関しては、その活性領域内では少数の支配的な導電性フィラメントのみが確立されており、TiO2 サンプルの DC 抵抗がその長さの影響を比較的受けないようになっています。

VNA、バイアスティー、保護抵抗、電流計、電圧計、DUT で構成される測定セットアップ。

1 mm (赤い丸)、2 mm (青い四角)、および 5 mm (黒いひし形) 長さの (a) NiO および (b) TiO2 の順方向 DC バイアス特性。

次に、提案されたアモルファス酸化物の挙動に対するDCサイクル（テストセルをオン状態とオフ状態に繰り返し駆動すること）の影響を調査し、その結果を図7に示します。両方の場合のアクティブサンプルの長さは次のとおりです。 5mm。ここでは、両方のデバイスを数回サイクルさせましたが、応答の違いは記録されませんでした。ご覧のとおり、両方のサンプルで DC 電流の暴走は検出されませんでしたが、記録されたヒステリシスは以前の文献結果 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 と一致しています。 13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24。

長さ 5 mm のアクティブ領域の DC サイクリング。 (a) NiO および (b) TiO2: (青い円) 循環が増加し、(赤い四角) が循環減少 (ヒステリシスを示す)。

高周波での TMO スイッチの性能を評価するには、最初に、図 3 に明らかな 2 つの CPW マイクロストリップ遷移の影響を、スイッチ構造の測定された散乱パラメータから抽出する必要があります。遷移の散乱パラメータは、図 8 に示す 2 つの受動構造の測定に依存する 2 層のスルーライン技術 28 を導入することによって取得できます。

ディエンベディングに使用される 2 つのパッシブ構造。 (a) スルー規格、(b) ライン規格、および (c) 受動デバイスの断面。

最初の受動構造には、スルー (T) と呼ばれる、背中合わせに接続された 2 つの CPW からマイクロストリップへの遷移 (図 3 に示すように) が含まれています。 2 番目の受動構造にも、ライン (L) と呼ばれるある長さのラインを介して、背中合わせに接続された 2 つの遷移が含まれています。これら 2 つの校正標準、Thru と Line はいずれもアクティブ (TMO) 材料にさらされておらず、実際、両方の CPW のマイクロストリップラインセクションに共通するパッシブ (SiO2) 材料上に製造されています。 -マイクロストリップトランジション。ライン (L) 標準の長さは 1 mm に選択され、後で説明するように、アクティブ (TMO) セルの長さと同じになるように選択されます。 2 つの標準の散乱パラメータは、プローブステーションとベクトルネットワークアナライザ (VNA) を使用して、バイアスティーを介して DC バイアス電圧を供給せずに測定されました。各遷移に対して抽出された散乱パラメータを図 9 に示します。明らかなように、入力ポート (CPW 側) での反射係数は - 5 dB よりも優れており、出力反射係数 (マイクロストリップライン側) は - 10 dB よりも優れています。 dB。図 9 に示すように、遷移の透過係数は高レベルの減衰を受けます。グランドプレーンとマイクロストリップラインの両方が電気的に非常に薄く、20 GHz の最高動作周波数でも約 0.37 表皮深さ (δ) の厚さであるため、これは理解できます。 1 GHz では、電気的厚さはさらに小さく、0.08δ に等しくなります。これにより、CPW とマイクロストリップラインの特性インピーダンスが周波数に大きく依存することになり、インピーダンスマッチングと伝送損失に悪影響を及ぼします。

CPW-マイクロストリップ遷移の抽出された散乱パラメータ。 S11（CPW側から見て赤）、S22（マイクロストリップライン側から見て緑）、S21（青）。

遷移の散乱パラメータを決定したので、その影響を考慮して、アモルファス NiO および TiO2 サンプルのスイッチング特性を正確に取得することが可能になります。 NiO または TiO2 を含む、図 3 の活性領域の伝送線路マトリックスは、次のように求めることができます。

ここで、 \({[T]}_{meas}\) は、測定された散乱パラメータを透過パラメータに変換した後の、図 3 に示す構造全体の透過行列を表します。さらに、 \({[T]}_{trans}^{-1}\) と \({[T]}_{rev\_trans}^{-1}\) は 2 つの入力の逆伝達行列を表します。 \({[T]}_{TMO}\) は、アクティブ TMO 領域の抽出された送信行列を示します。これには、アクティブ TMO 領域のインピーダンス不整合の影響が含まれます。 SiO2 基板上に堆積されたマイクロストリップラインとアクティブな TMO 領域間の 2 つの接合。これは、この境界から発せられる反射の存在によって明らかです。不要な反射の影響により、2 つの TMO の抽出されたスイッチ性能を適切に比較することが困難になるため、考慮する必要があります。未処理の反射を含む抽出された \({[T]}_{TMO}\) 行列を反射のない透過行列に変換するプロセスを以下に説明します。

未知の伝播定数 γTMO_nr と特性インピーダンス Z0_TMO、γTMO_nr を含む、図 10a の完全にインピーダンス整合した伝送線路の ABCD パラメータを以下に示します。

ここで、LTMO はアクティブな TMO 領域の長さです。 (2) を散乱パラメータに単純に変換すると、次の結果が得られます。

標準伝送ライン。 (a) 長さ LTMO の伝送線、および (b) Z0_TMO で終端される 2 ポートネットワーク。

一方、図10bに示す\({[T]}_{TMO}\)行列の一般形式で表される活性領域のABCDパラメータは、次のようになります。

このようにして形成される伝送線路が無反射であるためには、(2)の伝搬定数γTMO_nrも(4)を満たす必要がある。 \({A}_{TM{O}_{nr}}\) と \({A}_{TMO}\) を等しくすると、無反射線路の伝播定数が求められます。

式 (5) は、\({[T]}_{TMO}\) で記述される活性領域が対称であると考慮することでさらに簡略化できます。

これにより、(2) と (3) で与えられる無反射透過の伝播定数について次の式が得られます。

または \({[T]}_{TMO}\) 行列の散乱パラメータを介して表現されます。

このような無反射ラインは (3) で完全に記述され、NiO と TiO2 の活性領域の性能は、次の式で与えられる透過係数のみを使用して適切に比較できます。

同じLTMO = 1 mmの長さの活性領域に対するアモルファスNiOとTiO2の抽出された無反射透過係数を図1と2にプロットします。それぞれ11と12。これら 2 つの図から、両方の TMO の伝送損失がかなり高いことが明らかですが、これは、前に説明したように、電気的に薄い導体を考慮すると理解できます。 NiO ベースの TMO の場合、オフ状態とオン状態の間の最大の差は約 2 dB ですが、TiO2 ベースの TMO の場合、オフ状態とオン状態の間の差は周波数範囲全体で 15 dB 以上です。 10MHz～20GHz。さらに興味深いのは、アモルファス NiO のスイッチングには透過位相の小さな変化 (20 GHz で最大 5°) が伴うのに対し、TiO2 の状態間のスイッチングでは、透過係数がはるかに大きな位相変化を伴うことが示されていることです。 (20 GHz で最大 90°)。したがって、この現象はさらに調査する価値があります。

アモルファスNiOの透過係数を抽出。赤 (オフ状態、大きさ)、青 (オン状態 12 V、大きさ)、黒 (オフ状態、位相)、および緑 (オン状態 12 V、位相)。

アモルファス TiO2 の無反射透過係数を抽出。赤 (オフ状態、大きさ)、青 (オン状態 7 V、大きさ)、黒 (オフ状態、位相)、および緑 (オン状態 7 V、位相)。

次に、(9) の伝播定数 \({\gamma }_{TMO\_nr}\) の抽出に移ります。これには TMO に関する情報だけでなく、寄生 EM 伝播によって歪められます。電気的に薄いマイクロストリップラインとその真上の誘電体（この場合は空気）です。より厳密な意味で見ると、図 3 の TMO 構造の誘電特性は、第 2 ランクの面内空間依存テンソルで表す必要があります。

ここで、 \({\overline{\varepsilon }}_{\Parallel }\) は TMO 層の x 方向または y 方向の複素誘電特性 (定数) であり、\({\overline{\varepsilon }}_{ \perp }\) は、TMO の z 方向の複素誘電特性を表します。提案された構造における主な伝播モードは準横電磁波（QTEM）であるため、x 軸と y 軸の方向には磁場の変化はほとんどありません（図 3）。図 3 の TMO 構造の上部電極から TMO 構造までの高さは非常に大きい (約 40) ため、EM 場は主に上部電極の下の領域に限定され、接平面内での変化はほとんどないと合理的に想定できます。したがって、EM の伝播は \({\overline{\varepsilon }}_{\perp }\) の知識によって完全に説明でき、上部電極の下の体積内に均一に分布すると仮定できます。したがって、\({\overline{\varepsilon }}_{\perp }\) を TMO の \({\overline{\varepsilon }}_{r}\) と呼ぶのが適切でしょう。言い換えれば、TMO 構造は単一の複合誘電特性によって説明できます。 \({\overline{\varepsilon }}_{\perp }={\overline{\varepsilon }}_{r}={\バレプシロン }_{r}^{^{\prime}}+j{\バレプシロン }_{r}^{"}\) および \(\mathrm{tan}\left(\delta \right)= {\varepsilon }_{r}^{\prime\prime}/ {\varepsilon }_{r}^{\prime}\). ただし、媒体中には導電性のマグネリ相が存在するため、次のことに留意する必要があります。オン状態で絶縁化学量論的 TMO に囲まれているため、\({\overline{\varepsilon }}_{r}\) の抽出された高周波値は、高誘電体と金属の混合挙動を示すことが予想されます。

これらの仮定があっても、標準マイクロストリップの複雑な伝播特性から TMO の未知の誘電パラメータを分析的に抽出することは、導電部分と誘電部分の損失寄与を分離することが難しいため不可能です。この場合、下部電極と上部電極が 1 ～ 20 GHz の周波数領域で電気的に薄いという事実により、これはさらに複雑になります。薄い導体は、構造内の損失の増加という形で現れるだけでなく、誘電率の実部にも影響を与えます。さらに、図 4 に示すように、上部の金層 (マイクロストリップライン) のリフトオフプロセスが最適化されていないため、エッジのカールが発生します。カールの平均厚さは約 40 nm で、その結果導波路効果が生じ、追加の損失メカニズムとして巨視的に現れます。したがって、誘電パラメータの抽出は、市販の全波シミュレータ CST29 に実装された有限積分技術を使用して数値的に実行されます。エッジカーリングの平均寸法は 40 nm で、TMO 構造の長さに沿って伸びると想定されます。。ここで、抽出された複素伝播定数 \({\gamma }_{TMO\_nr}\) の値は、誘電特性などのパラメータを使用して、周波数範囲全体にわたってシミュレーションによって予測された伝播定数と計算的に照合されます。最適化パラメータとしての TMO の。抽出の目的では、TMO の未知の特性はオフ状態とオン状態の両方で本質的に誘電性であると仮定され、したがって抽出は \({\varepsilon }_{r}^{^ TMO 材料の {\prime}}\) と \({\varepsilon }_{r}^{"}\) を計算します。その後のステップで、TMO 材料の相変化の性質を反映するために、オフ状態は損失正接で表されますが、オン状態の損失は材料の導電状態への変化を考慮して等価導電率を使用して記述されます。損失正接の値は次の比率を使用して取得されます。 \({\varepsilon }_{r}^{"}\) から \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) に変換します。

作動時の NiO の誘電率の実部の値 \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) の変化 (図 13) は、小さいですが、作動前に得られた値を上回る、または下回る変動も示します。これは、図 14 に示すように、NiO が作動時に発生する高い損失によるもので、その後に誘電率の大幅な変化は起こりません。一方、TiO2 は、図 15 に示すように、作動時に誘電率の実数部に 200% 以上の大きな変化を示します。さらに、TiO2 は、誘電率の虚数部にもはるかに大きな変化を示します。 \({\varepsilon }_{r}^{"}\)、NiO との比較、図 16。NiO と TiO2 の両方の非作動状態と作動状態での損失正接を図 17 と 18 に示します。それぞれ、NiO と TiO2 の誘電挙動をより直観的に示しています。ここで、非作動状態での TiO2 の損失正接は、対応する NiO の損失正接よりも 50 分の 1 も低いことに注目する価値があります。図 17 に示すように、誘電体の損失正接は、図 18 に示すように、作動状態の NiO のそれよりもかなり高くなります。図 18 から、誘電体の損失正接と、対応して図 16 の虚数部がわかることがわかります。 TiO2 の誘電率は非常に高いです。このような挙動は誘電体ではなく金属に固有のものです。この場合、導電率の値に基づいて作動 (ON) 状態での材料損失を評価することが理にかなっています。導電率の値は次の式を使用して抽出できます ( 11):

NiO の \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) を OFF 状態 (赤丸) と ON 状態 (青四角) で抽出しました。

NiO の \({\varepsilon }_{r}^{"}\) を OFF 状態 (赤丸) と ON 状態 (青四角) で抽出しました。

TiO2 のオフ状態 (赤丸) とオン状態 (青の四角) の \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) を抽出しました。

TiO2 の \({\varepsilon }_{r}^{"}\) をオフ状態 (赤丸) とオン状態 (青四角) で抽出しました。

NiO (赤い丸) とオフ状態の TiO2 (青い四角) の損失正接を抽出しました。

オン状態の NiO (赤い丸) と TiO2 (青い四角) の損失正接を抽出しました。

これらの結果を図 19 に示します。見てわかるように、TiO2 は、作動した金属状態でも NiO よりも優れています。ここで、NiO の導電率は周波数の関数として増加しますが、依然として TiO2 の導電率より少なくとも約 20 倍低いです。 TiO2 の導電率は周波数の関数として一定であるのに対し、NiO の導電率は周波数の関数として単調増加することは興味深いことです。これは、検討した TMO ではスイッチング機構がおそらく異なる性質のものであることを示しており、今後の実験的および理論的研究が必要です。提示された結果は、アモルファス状態であっても、TMO が最大 20 GHz までの相転移 (スイッチング) を示すことを示しています。再構成可能な材料としての NiO の実用化は限定的かもしれませんが、一方で、TiO2 は大きな可能性を示しています。 DC バイアス電圧が存在しない場合、損失正接が 3 × 10–4 程度の良好な誘電体として動作します。ただし、DC バイアス電圧が作動すると、誘電率の実部が約 110、導電率が約 20 S/m の金属状態に遷移します。 TiO2 の構成パラメータのこのようなレベルの変化は、ほんの数例を挙げると、移相器、減衰器、周波数調整可能なアンテナおよびフィルタなどの多くの RF/ミリ波アプリケーションにとって十分です。この結果は非常に心強いものであり、再構成可能性を実現する新しい方法を示しています。再構成可能性は、現在導入可能な 5G テクノロジーと今後の 6G 通信システムにとって非常に重要です。次のセクションでは、TiO2 のスイッチング動作を調べて有効にした RF デバイスの例を示します。

オン状態の NiO (赤い丸) と ON 状態の TiO2 (青い四角) の導電率を抽出しました。

回路内での TMO ベースの RF スイッチの使用を検討する前に、スイッチの性能を評価する必要があります。前のセクションで詳しく説明したように、TiO2 を使用したスイッチの場合、その性能はアクティブ領域の長さの関数です。この効果を調査するために、この方法で形成されたスイッチが表皮深さの損失を受けないように、下部グランドと上部マイクロストリップラインの厚さを 3 μm に増加しました。 TiO2 スイッチの長さに依存する性能を図 20 に示します。見てわかるように、これは長さに強く依存します。長さが長いほどダイナミックレンジは大きくなりますが、同時に損失も大きくなります。

長さの関数としての TiO2 ベースのスイッチの性能。赤、黒、青はそれぞれ 1 mm、2 mm、5 mm の長さでオフ状態、緑、オレンジ、紫は同じ長さに対応してオン状態になります。

いくつかの異なる長さに対する 15 GHz でのスイッチの性能を表 1 に示します。

次に、図20に記録したTiO2のスイッチング特性に基づいて可変減衰器を設計し、シミュレーションによりその性能を調査した。デモンストレーションの目的で、3 dB カプラと反射負荷に基づく反射型可変減衰器 (RTVA) が使用されます (図 21)。3 dB カプラは 15 GHz の中心周波数で動作するように作られており、は、\({\varepsilon }_{r}=3\) および Tan(δ) = 0.00130 の基板 (Roger Duroid、3003) 上に設計されました。基板の厚さは h = 130 μm です。図 21 に示すように、設計されたカプラーの反射負荷は 2 つのセクションで構成されます。最初のセクションにはアクティブな TiO2 領域があり、その上にマイクロストリップラインが堆積され、ビアを介して適切にグランドに短絡されます。このセクションの物理的な長さは 3 mm です。アクティブ TiO2 領域は、提案されている RTVA (反射型可変減衰器) の動作帯域幅を拡張するために、1/4 波長トランスを介して 3 dB カプラに接続されています。トランスの特性インピーダンスは 50 Ω、長さは 3.16 mm に相当します。図２１のＲＴＶＡ構造全体の寸法は、１５．１８ｍｍ×１１．７７ｍｍ×０．１３ｍｍである。このようにして形成された RTVA の応答を図 22 に示します。14.2 ～ 15.8 GHz の周波数ウィンドウでは、挿入損失は 1.2 ～ 2.1 dB で変化しますが、同じ周波数範囲での減衰の最大値は 18.1 dB です。それぞれ dB と 23.3 dB。したがって、現在の RTVA によって提供される最小ダイナミックレンジは約 17 dB です。前述したように、ダイナミックレンジを拡大することは可能ですが、その結果、挿入損失が増加します。いずれの場合でも、活性領域の長さに応じて、ニーズに応じて、RTVA の応答を多数のアプリケーションに合わせて調整できる大きな可能性が存在します。 TMO、そして今回の場合は TiO2 の多用途な性質については、さらなる研究が強く必要とされています。 TiO2 のスイッチング特性に関する我々の結果は、良好な RF/ミリ波スイッチング特性を示すために TMO が「完全な」結晶状態である必要はなく、むしろアモルファス TMO でも表示できるという事実を示しています。魅力的なRF/ミリ波特性。答えるべき主要な研究課題は、冒頭で触れたように、「欠陥」または不純物のレベルを制御することによって、アモルファス TMO の RF/ミリ波スイッチング特性を調整できる可能性に関するものです。これからはTMO研究にとって刺激的な時期となるでしょう。

TiO2 をベースとした反射型可変減衰器 (RTVA)。

TiO2 の抽出値に基づく図の RTVA のパフォーマンス。黒 - オフ状態での反射係数、緑 - オン状態での反射係数、赤 - オフ状態での挿入損失、青 - オン状態での挿入損失。

この論文では、アモルファス NiO および TiO2 TMO の抵抗スイッチングを、最大 20 GHz の周波数範囲のスイッチング信号に対して実験的に研究しました。サンプルは標準的な微細加工技術を使用して製造されました。測定結果は、TiO2 が非作動状態と作動状態の両方で優れた電気的性能を備えていることを示しており、この材料がさまざまな RF/ミリ波用途に非常に有望であることがわかりました。私たちの研究は、非作動状態では、TiO2 が約 54 の誘電率と 3 × 10–4 の領域の損失正接を持つ誘電体であることを示しています。活性化すると、この材料は複雑な絶縁体から金属への転移を示し、誘電率は 110 以上に増加し、それに対応する導電率は約 20 S/m になります。このような特性の変更は、多くの場合、移相器、減衰器、周波数調整可能な発振器、フィルターなど、さまざまな RF/ミリ波デバイスをサポートするのに十分です。一例として、TiO2 ベースの反射型可変減衰器 (RTVA) のシミュレーション研究では、再構成可能なデバイスの実現における TMO の可能性が実証されており、わずか 1.2 dB の挿入損失で 17 dB のダイナミックレンジが記録されました。これまでに達成されたこれらのレベルの再構成可能性は非常に有望であり、その可能性を完全に引き出すにはさらなる研究作業が必要です。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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転載と許可

Bulja, S.、Kopf, R.、Tate, A. 他アモルファス TiO2 および NiO の高周波抵抗スイッチング挙動。 Sci Rep 12、13804 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16907-8

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受信日: 2022 年 5 月 26 日

受理日: 2022 年 7 月 18 日

公開日: 2022 年 8 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16907-8

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