Электропроводность и барьерные эффекты в тонких сегнетоэлектрических пленках цирконата-титаната свинца

• Автор: Каменщиков, Михаил Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 132 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1Л. Фазовая диаграмма системы цирконат-титанат свинца

1.2. Методы изготовления сегнетоэлектрических пленок

1.3. Электрофизические свойства сегнетоэлектрических пленок

1.3.1. Петли диэлектрического гистерезиса пленок РТТ

1.3.2. Вопът-фарадные характеристики пленок Р2Т

1.3.3. Вольт-амперные характеристики пленок Р2Т

1.4. Влияние спонтанной поляризации на свойства интерфейсных

слоев в пленочных сегнетоэлектриках
1.5. Механизмы электропроводности пленок Р2Т
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ОБЗОРУ ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объекты исследования
2.2. Экспериментальные установки
2.2.1. Методика получения петель диэлектрического гистерезиса
2.2.2. Определение диэлектрических характеристик и электропроводности в переменном поле
2.2.3. Измерение вольт-амперных характеристик
2.3. Методики определения высоты барьера Шоттки
2.4. Оценка погрешностей
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК Р2Т(54/46), СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
3.1. Сравнительный анализ вольт-амперных характеристик
3.1.1. ВАХ при комнатной температуре

3.1.2. Температурные зависимости ВАХ
3.2. Вольт-фарадные характеристики и тангенс угла диэлектрических потерь
3.2.1. Вольт-фарадные характеристики
3.2.2. Тангенс угла диэлектрических потерь
3.3. Петли диэлектрического гистерезиса
3.4. Влияние условий синтеза пленок РгТ(54/46) на дисперсию диэлектрических характеристик и проводимость по переменному току
3.5. Релаксация электропроводности
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Механизмы проводимости пленок Р2Т(54/46)
4.2. Определение величин потенциальных барьеров в структуре РСР2Т(54/46)/Р
4.3. Фазовые переходы пирохлор - перовскит І, перовскит I -перовскит II, и их влияние на электрофизические свойства пленок Р2Т(54/46)
4.4. Связь петель диэлектрического гистерезиса, пироотклика и барьерных явлений для пленок Р2Т(54/46)
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В последнее время тонкопленочные сегнетоэлектрики находят широкое применение в микроэлектронике. Среди основных областей практических приложений следует выделить их использование в микроэлектромеханике (МЕМЬ), СВЧ-приборах, различных сенсорных устройствах на основе пьезо- и пироэлектрических эффектов, а также возможность применения в качестве элементов сегнетоэлектрической памяти (ЕеКАМ). Твердые растворы цирконата-титаната свинца (ЦТС или Р2Т), включенные в состав гетероструктур, являются одними из наиболее распространенных материалов для данных приложений.
Известно, что пленки могут значительно отличаться от объемных материалов по ряду свойств, однако до сих пор поведение пленочных образцов изучено недостаточно. В частности, нерешенными остаются вопросы, связанные с изучением влияния подложки, интерфейсных слоев, условий синтеза на электрофизические свойства пленок. По настоящее время остаются актуальными исследования структур с составом, близким к морфотропной фазовой границе, где большинство физических характеристик испытывают аномалии. С практической точки зрения такие составы интересны для создания функциональных элементов современной электроники.
Серьезной проблемой при изготовлении пленок цирконата-титаната свинца являются потери свинца в процессе высокотемпетарурного отжига, необходимого для формирования перовскитовой структуры, проявляющей сегнетоэлектрические свойства. Для поддержания стехиометрии состава осаждение пленок PZT проводят при избытке РЬО, который после изготовления, как правило, остается в пленке в виде межкристаллитных и интерфейсных прослоек. Известно, что объем избыточного свинца, а также такие характеристики пленок PZT как стехиометрия, соотношения пирохлорной и перовскитовой фаз, размеры зерен и кристаллических блоков, зависят от температуры синтеза. Это в свою очередь оказывает влияние на

учитывается эффект экранирования поляризационного заряда и объемный заряд в слое истощения за счет кислородных вакансий, а также обсуждаются эффекты локальных токов утечки.
Когда металлический электрод, такой как платина, нанесен на сегнетоэлектрическую тонкую пленку, формируется барьер Шоттки, если работа выхода металла больше, чем у материала, к которому он прикреплен. Общее выражение для высоты барьера получено Коули и Зи [66] на основе предположения о наличии интерфейсного слоя атомных размеров между металлом и полупроводником в тесном контакте и поверхностных состояний на интерфейсе, которые являются свойствами чисто полупроводника и не зависят от металла. Схематически такой контакт изображен на рисунке 1.18.
Рисунок 1.18. Зонная диаграмма для металла, полупроводника и-типа проводимости с интерфейсным слоем порядка атомного расстояния (по [66]). В то время как пленка PZT p-типа проводимости в основном объеме, большая концентрация кислородных вакансий вблизи интерфейса выступает в качестве доноров, делая пленку «-типа [65].
фт - работа выхода металла, фвп - высота барьера на интерфейсе металл-полупроводник, фо - уровень электронейтральности, Д - потенциал на интерфейсном слое, % — электронное сродство полупроводника, S - толщина интерфейсного слоя, Qsc — плотность пространственного заряда в полупроводнике, Qss - поверхностная плотность заряда в полупроводнике, Qm - поверхностная плотность заряда в металле.
Высоты потенциальных барьеров для платины, нанесенной на ряд сегнетоэлектрических материалов, были рассмотрены в работе [67]. Они