Comportement de commutation résistive à haute fréquence de TiO2 et NiO amorphes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13804 (2022) Citer cet article

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La commutation résistive (RS) des oxydes de métaux de transition (TMO) est devenue non seulement un choix attrayant pour le développement de la mémoire non volatile de nouvelle génération, mais également en tant que famille appropriée de matériaux capables de prendre en charge la commutation haute fréquence et haute vitesse nécessaire pour les technologies de communication sans fil de prochaine génération, telles que la 6G. Le mécanisme exact de RS n'est pas encore clairement compris; cependant, il est largement admis qu'il est lié à la formation et à la rupture de filaments conducteurs sous-stoechiométriques (phases Magnéli) des oxydes respectifs lors de l'activation. Ici, nous examinons le comportement de commutation de TiO2 et NiO amorphes à la fois sous le régime DC et dans le mode haute fréquence. Nous montrons que la résistance DC du TiO2 amorphe est invariante de la longueur de la région active. En revanche, la résistance des échantillons NiO présente une forte dépendance à la longueur, et sa résistance DC diminue à mesure que la longueur augmente. Nous montrons en outre que les caractéristiques de commutation à haute fréquence de TiO2, reflétées dans les pertes d'insertion à l'état ON et l'isolation à l'état OFF, sont bien supérieures à celles de NiO. Des inférences fondamentales découlent de ces découvertes, qui non seulement enrichissent notre compréhension du mécanisme de conduction dans les oxydes binaires/multinaires, mais sont essentielles pour permettre une utilisation généralisée des oxydes binaires/multinaires dans les applications émergentes de mémoire non volatile et d'ondes millimétriques 6G. Comme exemple d'une application possible prise en charge par les TMO, un atténuateur variable de type réfléchissant (RTVA), illustré ici. Il est conçu pour fonctionner à une fréquence centrale de 15 GHz. Les résultats indiquent qu'il a une plage dynamique d'au moins 18 dB avec une perte d'insertion maximale de 2,1 dB.

On s'attend généralement à ce que le développement de la mémoire non volatile (NVM) de nouvelle génération soit piloté par des mécanismes non basés sur la charge. Cela est dû aux limites de mise à l'échelle de la mémoire basée sur la charge, telle que la mémoire dynamique à accès aléatoire (DRAM). La mémoire à accès aléatoire (RRAM) à commutation résistive a attiré l'attention comme l'un des principaux candidats au remplacement de la DRAM, en raison de sa faible complexité de fabrication, de ses excellentes vitesses de commutation et de ses performances1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. En outre, des vitesses de commutation élevées et des rapports dynamiques élevés devraient être les principaux moteurs du développement des systèmes de télécommunication de la prochaine génération.

Le mécanisme physique derrière la commutation résistive (RS) basée sur les oxydes de métaux de transition (TMO) confronte la physique du solide au défi d'interpréter la nature exacte des phénomènes conduisant à la transition réversible des états diélectriques aux états conducteurs, communément appelés Transition de Mott13. La transition métal-isolant dans VO2 est maintenant acceptée comme un phénomène de masse (homogène)25, cependant, le fonctionnement de RS des TMO restants peut être attribué à la formation et à la rupture de filaments conducteurs, Figs. 1 et 2, à l'intérieur du matériau lors de l'application d'une tension de polarisation continue ou d'une élévation de température. À cette fin, le mécanisme de conduction filamentaire a été confirmé expérimentalement par des mesures in situ de courants et de tensions dans TinO2n−13,14 et NiO26. La formation de filaments conducteurs est initiée par le processus d'électroformage5,12 par l'application d'une tension de polarisation CC sur le TMO, ce qui entraîne la création de filaments conducteurs sous-stoechiométriques (claquage diélectrique doux), Fig. 2b. Lors de l'inversion de la tension de polarisation continue, la stoechiométrie de l'intérieur du TMO est partiellement restaurée, entraînant la rupture du filament conducteur, Fig. 2c. Etant donné que dans cet état une cellule TMO n'est pas galvaniquement conductrice, elle est appelée état RESET. La cellule peut restaurer sa conductivité galvanique en réappliquant la tension continue, illustrée à la Fig. 2d - État SET.

Illustration de filaments à l'état cristallin électroformé Transition Metal Oxyde. L'action de commutation se produit lors de l'application d'une tension de polarisation CC provoquant l'établissement de chemins conducteurs.

Formation et rupture de filaments conducteurs (électroformage); (a) état initial, (b) électroformation du filament, (c) rupture du filament, état RESET et (d) état SET réversible.

L'approche classique du problème de compréhension du mécanisme de commutation des oxydes binaires/multinaires peut être erronée car basée sur le traitement de leurs propriétés physiques de manière analogue à celles des cristaux de silicium11. En effet, cette approche devient problématique dès le départ, du fait que l'ordre des défauts dans les oxydes binaires/multinaires est de 10 à 12 ordres de grandeur plus élevé que dans les cristaux de silicium. D'une part, cela semble nécessiter une meilleure qualité des cristaux, avec moins de défauts, mais d'autre part, il faut souligner que RS a été observé dans de nombreux TMO amorphes. Par conséquent, les défauts dans les TMO ne doivent pas être considérés comme des structures indésirables pour la réalisation d'une RS "parfaite" ; l'objectif devrait plutôt être de former/concevoir des imperfections "parfaites", dans le but d'obtenir des rapports dynamiques élevés, des vitesses de commutation élevées et d'excellentes performances électriques. Par conséquent, toute théorie ou modélisation précise de RS sur TMO ne peut ignorer et doit en effet prendre en compte le rôle des défauts dans le matériau. Les défauts, selon leur nature exacte, peuvent être classés en "0D" (défauts ponctuels, tels que les troubles de Schottky et de Frenkel), "1D", "2D" et en "3D" défauts étendus. Lors de l'activation et du processus d'agglomération des défauts, ces imperfections jouent un rôle crucial dans la transition de l'oxyde vers les phases de Magnéli, des filaments conducteurs non stoechiométriques. Par conséquent, l'étendue de la conductivité à l'état activé dans RS est améliorée en ayant le "bon" type de défauts. D'un point de vue macroscopique, selon la nature stoechiométrique des filaments conducteurs, les oxydes binaires/multinaires peuvent être considérés comme un semi-conducteur de type n (tel que TiO2) ou semi-conducteur de type p (tel que NiO) dans leurs états activés respectifs .

L'utilisation des TMO dans les applications à ondes millimétriques a été largement limitée aux oxydes cristallins de vanadium (VOx)15,16,17,18,19,20,21,22. Par exemple, dans la réf.15, une couche de VO2 de 200 nm d'épaisseur, déposée par ablation laser réactive sur un guide d'onde coplanaire (CPW) pour former des configurations de commutateurs en série et en parallèle, a été caractérisée dans la gamme de fréquences de 5 à 35 GHz. L'interrupteur ainsi formé était actionné à la fois thermiquement (élévation de la température à plus de 340 K pour permettre la transition isolant-métal) et électroniquement (par injection de charges). La plage dynamique signalée est d'environ 25 dB avec une perte d'insertion d'environ 0,8 dB. La vitesse de commutation de VO2 dépend fortement de la technique de dépôt et a été signalée comme étant comprise entre 1 ps17 et plusieurs ns18,19. Des vitesses de commutation similaires ont également été enregistrées pour TaOx et ZrOx23,24. L'utilisation de TMO autres que VOx à des fins de caractérisation et d'utilisation dans le contexte des dispositifs RF et à ondes millimétriques a été relativement inexplorée, ce qui laisse à la fois un manque de connaissances et d'application. Ici, nous examinons le comportement de commutation de TiO2 et NiO amorphes (phase anatase) couvrant à la fois les régimes continu et haute fréquence, jusqu'à 20 GHz. Le papier est organisé comme suit : dans "Switch structure", une structure de switch est présentée et décrite. Dans "Résultats DC" et "Résultats haute fréquence", les résultats de caractérisation DC et haute fréquence sont présentés. "Commutateur RF et atténuateur" est dédié à une application et "Conclusions" aux conclusions.

La géométrie du commutateur proposé est illustrée à la Fig. 3, et les micrographies de l'un des dispositifs fabriqués sont illustrées à la Fig. 4. Le substrat porteur est une tranche de Si dopée n de 600 µm d'épaisseur, avec une résistivité de surface de 100 Ω cm et une constante diélectrique de \({\varepsilon }_{r}=11.9\). La tranche de Si a 200 nm d'oxyde thermique développé sur le dessus afin d'isoler la couche de Si conducteur du plan de masse d'or (Au) déposé sur le dessus de la couche d'oxyde. L'épaisseur du plan de masse Au à motifs est d'environ 500 à 600 nm, avec une fine couche de Ti de 10 nm sous la couche d'or afin de faciliter l'adhérence. L'épaisseur de l'électrode supérieure Au est également comprise entre 500 et 600 nm, avec une couche d'adhérence Ti de 10 nm. La largeur de l'électrode Au supérieure, et donc de l'anode de la structure de la figure 3, est WTMO = 8 µm et sa longueur varie de LTMO = 1 mm à LTMO = 5 mm. L'électrode supérieure est déposée en partie sur le substrat SiO2 et en partie sur la couche TMO. L'épaisseur du TMO est d'environ 200 nm. Les couches de métal et de TMO ont été déposées par évaporation et décollage par faisceau d'électrons. Les couches de TMO, NiO et TiO2, ont été évaporées à partir de sources de composés sous une atmosphère enrichie en oxygène pour conserver une stoechiométrie appropriée. L'ellipsométrie (Rudolph Auto ELII) et la profilométrie de surface (KLA P7) ont été utilisées pour déterminer l'indice de réfraction et l'épaisseur du film TMO, respectivement. La stoechiométrie a ensuite été déduite de ces mesures.

Structure du commutateur : (a) vue en perspective, (b) vue de dessus, (c) pile de matériaux et (d) vue agrandie de la transition CPW-microruban.

Micrographies de structures TMO fabriquées : (a) image de la structure clivée montrant la ligne d'or supérieure, TMO, et le plan de masse obtenu à l'aide de la microscopie électronique à balayage d'émission de champ (FESEM), (b) vue de dessus agrandie de la ligne microruban et (c) haut vue d'une moitié de l'appareil de mesure. Des "boucles" sur les bords de la ligne microruban (b) dues au décollement sont évidentes, avec une épaisseur estimée à 40 nm.

La couche isolante de SiO2 entre les électrodes dans le champ a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (STS PECVD) et modelée à l'aide d'une gravure ionique réactive (Plasma Therm ICP/RIE). La région TMO active est prise en sandwich entre deux transitions Coplanar-Waveguide (CPW) à microruban de longueurs Ltr = 2 015 µm, avec la longueur des plots exposés de LCPW = 400 µm. La transition CPW-microruban est spécialement conçue pour les faibles réflexions sur la plage de fréquences d'intérêt de 1 à 20 GHz. Il convient de mentionner qu'au lieu de la transition CPW vers microruban telle que poursuivie ici, on aurait pu utiliser une transition Coplanar Stripline Asymétrique (ACS) vers une transition microruban27, pour obtenir le même effet. Cependant, en raison de l'asymétrie de l'ACS, la structure formée de cette manière peut rendre l'extraction des paramètres inconnus plus difficile.

La figure 5 montre le montage de mesure utilisé pour la mesure des performances en courant continu et haute fréquence. Ici, un analyseur de réseau vectoriel (VNA) est connecté au dispositif sous test (DUT), (illustré à la Fig. 3), via des tés de polarisation, permettant une polarisation CC de la structure. Pendant le test CC, le VNA est maintenu éteint et les tensions et les courants sont mesurés par des voltmètres et des ampères externes, Fig. 5. Depuis le début de la transition isolant-métal (formation de phases Magnéli), le courant à travers le l'appareil peut présenter un comportement d'emballement, une résistance de limitation de courant de R = 600 Ω est ajoutée dans la configuration. Plusieurs dispositifs fabriqués à l'aide de TiO2 et NiO avec des longueurs de région active de 1 mm, 2 mm et 5 mm ont été testés. À cette fin, la tension continue a été progressivement augmentée et le courant continu a été surveillé, Fig. 6. En référence à cette figure, il est important de noter que les tensions de polarisation continue appliquées aux échantillons NiO et TiO2 ne sont pas identiques. Ici, il a été observé empiriquement que la tension de polarisation continue maximale pouvant être appliquée aux échantillons de TiO2 est indépendante de leur longueur et se situe à 7 V. L'augmentation de la tension de polarisation continue au-delà de cette valeur entraîne la destruction des échantillons, probablement due à Joule chauffage. La situation est quelque peu différente pour les échantillons de NiO. Dans ce cas, la tension de polarisation continue maximale qui peut être appliquée aux échantillons est déterminée empiriquement pour dépendre de la longueur de l'échantillon. Elle est de 12 V, 13 V et 14 V pour les longueurs NiO de 1 mm, 2 mm et 5 mm, respectivement. Il a en outre été observé que même si la résistance CC à l'état OFF restait élevée quel que soit le type de TMO et sa longueur, la résistance à l'état complètement ON dépend du type de TMO. Par exemple, lorsque les longueurs des régions actives de NiO sont de 1 mm, 2 mm et 5 mm, les résistances CC mesurées à pleine puissance sont respectivement de 300 Ω, 185 Ω et 93 Ω. En revanche, pour les mêmes longueurs des régions actives, la résistance DC full-ON des échantillons de TiO2 varie de 18,4 à 21,8 Ω, ce qui est relativement faible. Ce comportement est révélateur, car il indique deux mécanismes de conduction différents, l'un fonctionnant dans NiO, l'autre dans TiO2. On peut supposer que dans les échantillons de NiO amorphe, la taille des filaments conducteurs sous-stoechiométriques est plus petite que leurs homologues dans TiO2, et, également, que le nombre de filaments évolue avec la longueur (de la région NiO). Concernant les échantillons de TiO2, il apparaît qu'au sein de leurs domaines actifs, seuls quelques filaments conducteurs dominants sont établis, rendant la résistance DC des échantillons de TiO2 relativement insensible à leur longueur.

Configuration de mesure composée d'un VNA, de tés de polarisation, d'une résistance de protection, d'un ampèremètre, d'un voltmètre et d'un DUT.

Caractéristiques de polarisation CC directe de (a) NiO et (b) TiO2 pour une longueur de 1 mm (cercles rouges), 2 mm (carrés bleus) et 5 mm (losange noir).

Ensuite, l'effet du cyclage CC (entraînant à plusieurs reprises les cellules de test dans les états ON et OFF) sur le comportement des oxydes amorphes proposés a été étudié et les résultats sont présentés, Fig. 7. Les longueurs des échantillons actifs pour les deux cas sont 5 millimètres. Ici, les deux appareils ont été cyclés plusieurs fois et aucune différence dans la réponse n'a été enregistrée. Comme on peut le voir, aucun emballement de courant continu n'a été détecté pour les deux échantillons, cependant, l'hystérésis enregistrée est conforme aux conclusions de la littérature précédente1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24.

Cycle DC de régions actives de 5 mm de long ; (a) NiO et (b) TiO2 : (cercles bleus) cycle vers le haut et (carrés rouges) cycle vers le bas (montrant l'hystérésis).

Pour évaluer les performances des commutateurs TMO à hautes fréquences, les influences des deux transitions CPW-microruban évidentes sur la figure 3 doivent d'abord être extraites des paramètres de diffusion mesurés de la structure du commutateur. Les paramètres de diffusion des transitions peuvent être obtenus en déployant une technique à deux niveaux, thru-line28, qui repose sur les mesures de deux structures passives illustrées à la Fig. 8.

Les deux structures passives utilisées dans le désencastrement ; (a) Par norme, (b) Ligne standard, et (c) section transversale des dispositifs passifs.

La première structure passive contient deux transitions CPW à microruban (comme cela apparaît sur la figure 3) connectées dos à dos, appelées Thru (T). La deuxième structure passive contient également les deux transitions connectées dos à dos, mais sur une longueur de ligne, appelée Ligne (L). Aucun de ces deux standards d'étalonnage, le Thru et le Line, n'est exposé au matériau actif (TMO), et en effet, ils sont fabriqués sur le matériau passif (SiO2), qui est commun aux sections de ligne microruban des deux CPW-to -transitions microruban. La longueur de la ligne standard (L) est choisie pour être de 1 mm, et, comme on le verra plus loin, elle est choisie pour être la même que la longueur de la cellule active (TMO). Les paramètres de diffusion des deux normes ont été mesurés à l'aide d'une station de sonde et d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) sans tension de polarisation CC fournie par le té de polarisation. Les paramètres de diffusion extraits pour chaque transition sont illustrés à la Fig. 9. Comme on peut le voir, le coefficient de réflexion au niveau du port d'entrée (côté CPW) est meilleur que - 5 dB, tandis que le coefficient de réflexion de sortie (côté ligne microruban) est meilleur que - 10 dB. Le coefficient de transmission de la transition, comme le montre la figure 9, subit un niveau élevé d'atténuation. Cela est compréhensible, puisque le plan de masse et la ligne microruban sont électriquement très fins, ayant une épaisseur d'environ 0,37 épaisseur de peau (δ) même à la fréquence de fonctionnement la plus élevée de 20 GHz. A 1 GHz, l'épaisseur électrique est encore plus faible et vaut 0,08δ. Cela rend l'impédance caractéristique du CPW et de la ligne microruban fortement dépendante de la fréquence, ce qui affecte négativement l'adaptation d'impédance et la perte de transmission.

Paramètres de diffusion extraits de la transition CPW-microruban ; S11 (rouge, vu du côté CPW), S22 (vert, vu du côté ligne microruban) et S21 (bleu).

Après avoir déterminé les paramètres de diffusion des transitions, il est maintenant possible de considérer leurs effets et d'obtenir avec précision les caractéristiques de commutation des échantillons de NiO et TiO2 amorphes. La matrice de ligne de transmission de la région active de la figure 3, contenant NiO ou TiO2, peut être trouvée à partir de

où, \({[T]}_{meas}\), représente la matrice de transmission de la structure entière représentée sur la figure 3, après conversion des paramètres de diffusion mesurés en paramètres de transmission. De plus, \({[T]}_{trans}^{-1}\) et \({[T]}_{rev\_trans}^{-1}\) représentent les matrices de transmission inverse des deux entrées et les transitions CPW-microruban de sortie disposées respectivement dans les positions avant et arrière.\({[T]}_{TMO}\) désigne la matrice de transmission extraite de la région TMO active, qui inclut l'effet de toute inadéquation d'impédance à la deux jonctions entre la ligne microruban déposée sur le substrat SiO2 et la région active TMO. Cela se manifeste par l'existence de réflexions émanant de cette frontière. L'effet des réflexions indésirables rend difficile la comparaison adéquate des performances de commutation extraites des deux TMO et, par conséquent, il doit être pris en compte. Le processus de transformation de la matrice \({[T]}_{TMO}\) extraite contenant les réflexions non désirées en une matrice de transmission sans réflexion est décrit ci-dessous.

Les paramètres ABCD d'une ligne de transmission parfaitement adaptée en impédance de la Fig. 10a, contenant la constante de propagation inconnue γTMO_nr et l'impédance caractéristique Z0_TMO, γTMO_nr sont donnés ci-dessous

où LTMO est la longueur de la région TMO active. Une simple transformation de (2) en paramètres de diffusion donne.

Ligne de transmission standard ; (a) Ligne de transmission de longueur LTMO et (b) un réseau à deux ports terminé en Z0_TMO.

D'autre part, les paramètres ABCD de la région active exprimés sous la forme générale de la matrice \({[T]}_{TMO}\), illustrée à la Fig. 10b, sont

Pour que la ligne de transmission formée de cette manière soit sans réflexion, la constante de propagation yTMO_nr de (2) doit également satisfaire (4). En assimilant \({A}_{TM{O}_{nr}}\) et \({A}_{TMO}\), la constante de propagation de la ligne sans réflexion peut être trouvée à partir de.

L'équation (5) peut être encore simplifiée en considérant que la région active décrite par le \({[T]}_{TMO}\) est symétrique, c'est-à-dire

ce qui donne l'expression suivante pour la constante de propagation de la transmission sans réflexion donnée par (2) et (3)

ou exprimé via les paramètres de diffusion de la matrice \({[T]}_{TMO}\),

Une telle raie sans réflexion est alors entièrement décrite par (3) et les performances des régions actives de NiO et TiO2 peuvent être comparées de manière adéquate en utilisant uniquement le coefficient de transmission, donné par :

Les coefficients de transmission sans réflexion extraits du NiO et du TiO2 amorphes pour le même LTMO = 1 mm de longueur des régions actives sont tracés sur les Fig. 11 et 12, respectivement. Il ressort de ces deux figures que les pertes de transmission pour les deux TMO sont plutôt élevées, cependant, cela est compréhensible dans le contexte des conducteurs électriquement minces, comme expliqué précédemment. Pour le cas du TMO à base de NiO, la différence maximale entre les états OFF et ON est d'environ 2 dB, tandis que pour le cas du TMO à base de TiO2, la différence entre les états OFF et ON n'est pas inférieure à 15 dB sur la plage de fréquences. 10 MHz à 20 GHz. Il est en outre intéressant de noter que la commutation de l'amourpheux NiO s'accompagne d'un petit changement dans la phase de transmission (maximum de 5° à 20 GHz), alors que la commutation entre états dans TiO2 montre que le coefficient de transmission supporte un changement de phase beaucoup plus important. (maximum de 90° à 20 GHz). Par conséquent, ce phénomène mérite une enquête plus approfondie.

Coefficients de transmission extraits du NiO amorphe ; rouge (état OFF, amplitude), bleu (état ON 12 V, amplitude), noir (état OFF, phase) et vert (état ON 12 V, phase).

Coefficients de transmission sans réflexion extraits du TiO2 amorphe ; rouge (état OFF, amplitude), bleu (état ON 7 V, amplitude), noir (état OFF, phase) et vert (état ON 7 V, phase).

Passons ensuite à l'extraction de la constante de propagation, \({\gamma}_{TMO\_nr}\), dans (9), qui contient non seulement les informations sur le TMO, mais elle est déformée par la propagation EM parasite à travers la ligne microruban électriquement mince et le diélectrique directement au-dessus (l'air dans ce cas). Si elle est vue dans un sens plus strict, la propriété diélectrique de la structure TMO, Fig. 3, doit être représentée par un tenseur de second rang, dépendant de l'espace dans le plan, c'est-à-dire

Ici, \({\overline{\varepsilon }}_{\parallel }\) est les caractéristiques diélectriques complexes dans la direction x ou y (constante) de la couche TMO, tandis que \({\overline{\varepsilon }}_{ \perp }\) représente les caractéristiques diélectriques complexes dans la direction z du TMO. Étant donné que le mode de propagation dominant dans la structure proposée est l'onde électromagnétique quasi transversale (QTEM), il existe peu de variation de champ dans la direction des axes x et y, Fig. 3. De plus, comme le rapport de la largeur de la l'électrode supérieure de la structure TMO de la Fig. 3 à la hauteur de la structure TMO est très grande (environ 40), on peut raisonnablement supposer que les champs EM sont principalement confinés à la zone sous l'électrode supérieure avec peu de variation dans le plan tangentiel. Par conséquent, la propagation EM peut être entièrement décrite par la connaissance de \({\overline{\varepsilon }}_{\perp }\), qui peut être supposée être distribuée de manière homogène dans le volume sous l'électrode supérieure. En tant que tel, il serait pertinent maintenant de se référer à \({\overline{\varepsilon }}_{\perp }\) comme \({\overline{\varepsilon }}_{r}\) du TMO. En d'autres termes, la structure TMO peut être décrite par une seule caractéristique diélectrique composite, où \({\overline{\varepsilon }}_{\perp }={\overline{\varepsilon }}_{r}={\ varepsilon }_{r}^{^{\prime}}+j{\varepsilon }_{r}^{"}\) et \(\mathrm{tan}\left(\delta \right)= {\varepsilon }_{r}^{\prime\prime}/ {\varepsilon }_{r}^{\prime}\). Cependant, il faut garder à l'esprit qu'en raison de l'existence de phases conductrices de Magnéli dans le milieu entourés de TMO stœchiométrique isolant à l'état ON, les valeurs haute fréquence extraites de \({\overline{\varepsilon }}_{r}\) devraient présenter un comportement mixte diélectrique-métal élevé.

Même avec ces hypothèses, l'extraction analytique des paramètres diélectriques inconnus du TMO à partir des caractéristiques de propagation complexes pour un microruban standard est impossible, en raison des difficultés de séparation des contributions de perte des parties conductrices et diélectriques. Dans le cas présent, cela est encore compliqué par le fait que les électrodes inférieure et supérieure sont électriquement minces dans la plage de fréquence de 1 à 20 GHz. Les conducteurs minces se manifestent non seulement sous la forme de pertes accrues dans la structure, mais ils affectent également la partie réelle de la permittivité diélectrique. De plus, comme le montre la figure 4, le processus de décollage de la couche d'or supérieure (ligne microruban) n'est pas optimisé, ce qui a conduit à la création d'un recourbement des bords. L'épaisseur moyenne des boucles est d'environ 40 nm, entraînant la création d'un effet de guide d'onde, se manifestant macroscopiquement par un mécanisme de perte supplémentaire. Par conséquent, l'extraction des paramètres diélectriques est effectuée numériquement, à l'aide d'une technique d'intégration finie, mise en œuvre dans un simulateur pleine onde disponible dans le commerce, CST29, où une dimension moyenne d'enroulement des bords de 40 nm est supposée s'étendre sur la longueur de la structure TMO. . Ici, les valeurs extraites de la constante de propagation complexe, \({\gamma}_{TMO\_nr}\), sont comparées par calcul à la constante de propagation prédite par des simulations sur toute la gamme de fréquences en utilisant, entre autres paramètres, les caractéristiques diélectriques des TMO comme paramètres d'optimisation. Aux fins de l'extraction, on suppose que les caractéristiques inconnues des TMO sont de nature diélectrique dans les états OFF et ON et, par conséquent, l'extraction est effectuée par rapport à \({\varepsilon }_{r}^{^ {\prime}}\) et \({\varepsilon }_{r}^{"}\) du matériau TMO. Lors d'une étape ultérieure, et afin de refléter la nature à changement de phase des matériaux TMO, les pertes en l'état OFF est représenté en termes de tangente de perte, tandis que les pertes à l'état ON sont décrites en utilisant la conductivité électrique équivalente, pour tenir compte de la transformation des matériaux en état conducteur.Les valeurs des tangentes de perte sont obtenues à l'aide du rapport de \({\varepsilon }_{r}^{"}\) à \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\).

La variation des valeurs de la partie réelle de la permittivité diélectrique, \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\), de NiO, Fig. 13, lors de l'actionnement se trouve non seulement être petit, mais il présente également des excursions à la fois au-dessus et au-dessous des valeurs qu'il a atteintes avant l'actionnement. Cela est dû aux pertes élevées que NiO acquiert lors de l'actionnement, illustrées à la Fig. 14, qui ne sont pas suivies d'un changement significatif de la permittivité diélectrique. TiO2, d'autre part, présente un changement significatif dans la partie réelle de la permittivité diélectrique lors de l'actionnement - plus de 200%, comme le montre la Fig. 15. De plus, TiO2 présente également un changement beaucoup plus important dans la partie imaginaire de la permittivité diélectrique, \({\varepsilon }_{r}^{"}\), par rapport à NiO, Fig. 16. Les tangentes de perte dans les états non activé et activé pour NiO et TiO2 sont illustrées aux Fig. 17 et 18, respectivement, qui fournissent une vue plus intuitive sur le comportement diélectrique de NiO et TiO2 Ici, il convient de noter que la tangente de perte de TiO2 à l'état non actionné n'est pas moins de 50 fois inférieure à la tangente de perte correspondante de NiO, comme le montre la Fig. 17 et considérablement plus élevé que celui de NiO à l'état activé, comme le montre la Fig. 18. De la Fig. 18 on peut noter que la tangente de perte et, de manière correspondante de la Fig. 16, la partie imaginaire du diélectrique permittivité, de TiO2 est extrêmement élevée. Un tel comportement est inhérent aux métaux plutôt qu'aux diélectriques. Dans ce cas, il est logique d'évaluer les pertes matérielles dans les états activés (ON) en fonction des valeurs de conductivité, qui peuvent être extraites à l'aide de la formule suivante ( 11):

Extrait \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) de NiO à l'état OFF (cercles rouges) et à l'état ON (carrés bleus).

Extrait \({\varepsilon }_{r}^{"}\) de NiO à l'état OFF (cercles rouges) et à l'état ON (carrés bleus).

Extrait \({\varepsilon }_{r}^{^{\prime}}\) de l'état OFF de TiO2 (cercles rouges) et de l'état ON (carrés bleus).

Extrait \({\varepsilon }_{r}^{"}\) de TiO2 à l'état OFF (cercles rouges) et à l'état ON (carrés bleus).

Tangentes de perte extraites de NiO (cercles rouges) et TiO2 à l'état OFF (carrés bleus).

Tangentes de perte extraites de NiO (cercles rouges) et TiO2 à l'état ON (carrés bleus).

Ces résultats sont illustrés à la Fig. 19. Comme on peut le voir, le TiO2 surpasse également le NiO à l'état métallique activé. Ici, même si la conductivité de NiO augmente en fonction de la fréquence, elle est encore environ au moins 20 fois inférieure à la conductivité de TiO2. Il est intéressant de voir que la conductivité de TiO2 est constante en fonction de la fréquence, tandis que la conductivité de NiO augmente de façon monotone en fonction de la fréquence. Cela indique que le mécanisme de commutation est probablement d'un caractère différent pour les TMO examinés, ce qui nécessite de futures recherches expérimentales et théoriques. Les résultats présentés indiquent que même dans les états amorphes, les TMO présentent une transition de phase (commutation), s'étendant jusqu'à 20 GHz. Même si l'utilisation pratique de NiO en tant que matériau reconfigurable peut être d'une utilité limitée, TiO2, en revanche, présente un grand potentiel. En l'absence de tension continue de polarisation, il se comporte comme un bon diélectrique avec des tangentes de perte de l'ordre de 3 × 10–4. Cependant, lors de l'activation de la tension de polarisation continue, il passe à un état métallique avec la partie réelle de la permittivité diélectrique d'environ 110 et une conductivité d'environ 20 S/m. Un tel niveau de changement des paramètres constitutifs du TiO2 est suffisant pour de nombreuses applications RF/ondes millimétriques, telles que les déphaseurs, les atténuateurs, les antennes et les filtres accordables en fréquence, pour n'en citer que quelques-uns. Les résultats sont extrêmement encourageants et indiquent de nouvelles façons d'atteindre la reconfigurabilité, ce qui est d'une grande importance pour les technologies 5G actuellement déployables et les futurs systèmes de communication 6G. Dans la section suivante, un exemple de dispositif RF activé par le comportement de commutation examiné de TiO2 est présenté.

Conductivités extraites de NiO à l'état ON (cercles rouges) et de TiO2 à l'état ON (carrés bleus).

Avant d'examiner l'utilisation d'un commutateur RF basé sur TMO dans un circuit, les performances du commutateur doivent être évaluées. Pour un commutateur utilisant du TiO2, comme expliqué dans la section précédente, ses performances sont fonction de la longueur de la région active. Pour étudier cet effet, les épaisseurs de la masse inférieure et de la ligne microruban supérieure sont augmentées à 3 µm, de sorte que le commutateur formé de cette manière ne subisse pas de pertes de profondeur sous la peau. Les performances dépendantes de la longueur du commutateur TiO2 sont illustrées à la Fig. 20. Comme on peut le voir, il s'agit d'une forte fonction de la longueur - des longueurs plus grandes entraînent une plus grande plage dynamique, mais, en même temps, ont des pertes plus importantes.

Performance du commutateur à base de TiO2 en fonction de la longueur ; rouge, noir et bleu - état OFF pour des longueurs de 1 mm, 2 mm et 5 mm respectivement et vert, orange et violet - état ON correspondant aux mêmes longueurs.

Les performances des commutateurs à 15 GHz pour plusieurs longueurs différentes sont présentées dans le tableau 1.

Ensuite, sur la base des caractéristiques de commutation de TiO2 enregistrées sur la figure 20, un atténuateur variable est conçu et ses performances étudiées par des simulations. Aux fins de démonstration, un atténuateur variable de type réfléchissant (RTVA), basé sur un coupleur 3 dB et des charges réfléchissantes, est utilisé, Fig. 21. Le coupleur 3 dB est conçu pour fonctionner à une fréquence centrale de 15 GHz et a été conçu sur un substrat (Roger Duroid, 3003) avec \({\varepsilon }_{r}=3\) et tan(δ) = 0,00130. L'épaisseur du substrat est h = 130 µm. Les charges réfléchissantes du coupleur conçu, comme illustré à la Fig. 21, se composent de deux sections. La première section a une région de TiO2 active sur laquelle une ligne microruban est déposée et court-circuitée de manière pertinente à la terre via un via. La longueur physique de cette section est de 3 mm. La région active de TiO2 est connectée au coupleur 3 dB via un transformateur quart d'onde afin d'étendre la bande passante du fonctionnement du RTVA (Reflective-Type variable Attenuator) proposé. L'impédance caractéristique du transformateur est de 50 Ω et sa longueur correspond à 3,16 mm. Les dimensions de l'ensemble de la structure RTVA de la figure 21 sont de 15,18 mm x 11,77 mm x 0,13 mm. La réponse de la RTVA ainsi formée est représentée sur la Fig. 22. Dans la fenêtre de fréquence de 14,2 à 15,8 GHz, les pertes d'insertion varient de 1,2 à 2,1 dB, tandis que les valeurs maximales d'atténuation sont, dans la même gamme de fréquences, de 18,1 dB et 23,3 dB, respectivement. Ainsi, la plage dynamique minimale offerte par le RTVA actuel est d'environ 17 dB. Comme mentionné précédemment, la plage dynamique peut être augmentée, cependant, cela a pour conséquence d'augmenter les pertes d'insertion. Dans tous les cas, il existe une énorme possibilité d'adapter la réponse de RTVA pour convenir à une multitude d'applications, en fonction des besoins, en fonction de la longueur de la région active. La nature polyvalente des TMO et dans le cas présent du TiO2 nécessite fortement une enquête plus approfondie. Nos résultats sur les caractéristiques de commutation du TiO2 montrent qu'un TMO n'a pas besoin d'être dans un état cristallin "parfait" pour présenter de bonnes caractéristiques de commutation RF/mm, mais ils indiquent plutôt le fait que même les TMO amorphes peuvent afficher caractéristiques RF/mm attrayantes. Une question de recherche majeure à laquelle répondre réside dans la possibilité d'adapter les caractéristiques de commutation RF/mm des TMO amorphes en contrôlant le niveau de "défauts" ou d'impuretés, comme évoqué dans l'introduction. Ce sera une période passionnante pour la recherche TMO.

Atténuateur variable de type réfléchissant (RTVA) à base de TiO2.

Performance de RTVA de la figure, basée sur les valeurs extraites de TiO2 ; noir - coefficient de réflexion à l'état OFF, vert - coefficient de réflexion à l'état ON, rouge - perte d'insertion à l'état OFF et bleu - perte d'insertion à l'état ON.

Dans cet article, la commutation résistive des TMO amorphes NiO et TiO2 a été expérimentalement étudiée pour des signaux commutés allant jusqu'à des fréquences de 20 GHz. Les échantillons ont été fabriqués en utilisant des techniques de microfabrication standard. Les mesures indiquent que le TiO2 possède des performances électriques supérieures à la fois dans les états non activé et activé, ce qui rend ce matériau très prometteur pour une variété d'applications RF/ondes millimétriques. Notre étude montre qu'à l'état non actionné, TiO2 est un diélectrique avec une permittivité diélectrique d'environ 54 et une tangente de perte dans la région de 3 × 10–4. Lors de l'activation, le matériau présente une transition complexe entre l'isolant et le métal, avec une augmentation de la permittivité diélectrique à plus de 110 et une conductivité correspondante d'environ 20 S/m. De tels changements dans les propriétés sont dans de nombreux cas adéquats pour prendre en charge une variété de dispositifs à ondes RF/mm, tels que des déphaseurs, des atténuateurs, des oscillateurs et des filtres accordables en fréquence, pour n'en citer que quelques-uns. À titre d'exemple, une étude de simulation d'un atténuateur variable de type réfléchissant (RTVA) basé sur TiO2 a démontré le potentiel des TMO pour la réalisation de dispositifs reconfigurables, où une plage dynamique de 17 dB a été enregistrée avec des pertes d'insertion de seulement 1,2 dB. Ces niveaux de reconfigurabilité atteints jusqu'à présent sont extrêmement prometteurs et des travaux de recherche supplémentaires sont nécessaires pour libérer pleinement leur potentiel.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Dariush Mirshekar-Syahkal

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SB et RK ont conçu les cellules et les appareils de mesure. RK a fabriqué les cellules et les dispositifs de mesure et AT et MC ont aidé à la fabrication. SB a collecté, analysé et traité les données. SB et RK ont rédigé le manuscrit. AT, MC, DK, HC, DW, WT et DMS ont apporté des corrections au manuscrit. Tous les auteurs ont discuté des résultats et commenté le manuscrit.

Correspondance à Senad Bulja ou Wolfgang Templ.

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Bulja, S., Kopf, R., Tate, A. et al. Comportement de commutation résistive à haute fréquence de TiO2 et NiO amorphes. Sci Rep 12, 13804 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16907-8

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Reçu : 26 mai 2022

Accepté : 18 juillet 2022

Publié: 13 août 2022

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

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