Эффективная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки в составе плоскопараллельных и планарных конденсаторов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Микро- и наноэлектроника

УДК 539.216.2, 537.226.4, 537.226.1

С. П. Зубко, А. Г. Гагарин, Н. Ю. Медведева Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Эффективная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки в составе плоскопараллельных и планарных конденсаторов1

Экспериментально и теоретически исследованы характеристики плоскопараллельных и планарных сегнетоэлектрических конденсаторов. Исследован размерный эффект в тонкой пленке сегнетоэлектри-ка Bao.зSro.7TiOз в составе плоскопараллельных и планарных конденсаторов.

Тонкая пленка, размерный эффект, сегнетоэлектрик, конденсатор

Сегнетоэлектрические материалы находят широкое применение в СВЧ-устройствах с электронным управлением. Как правило, сегнетоэлектрические пленки включают в состав многослойных конденсаторных структур - как планарных, так и плоскопараллельных - МДМ-конденсаторов. Конструкция конденсатора существенно влияет на диэлектрические характеристики сегнетоэлектрической пленки. Настоящая статья посвящена исследованию диэлектрических свойств сегнетоэлектрических пленок Ва^Бг^ТЮз (ВБТО) в составе планарного конденсатора (рис. 1, а) и МДМ-конденсатора (рис. 1, б).

На подложке из лейкосапфира г-среза площадью 10 х 10 мм2 в едином технологическом цикле

формировались МДМ-конденсатор и два планарных конденсатора с разными ширинами зазоров 5. Цикл состоял из следующих операций:

- нанесение на диэлектрическую подложку пленки Р1 толщиной И = 100 нм методом магне-тронного распыления в атмосфере аргона и формирование ионным травлением планарных конденсаторов и нижнего электрода МДМ-структур;

- нанесение и литография сегнетоэлектрической пленки;

- нанесение термическим испарением пленки Си толщиной 1 мкм и литография топологии верхних электродов конденсаторов.

Пленки ВБТО наносились методом высокочастотного магнетронного распыления мишени из

Си

7

Р1

ВБТО Си

Р1

И

Си

I

ВБТО

Си

Р1

Рис. 1

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-02-12096 офи_м. Теоретическое исследование проведено при поддержке российского научного фонда (грант № 14-12-01296).

© Зубко С. П., Гагарин А. Г., Медведева Н. Ю., 2016

51

4'

б

а

С, пФ

Т = 300 к

5 = 3 мкм м = 0.4 мм

В 0

Рис. 2

30 60 90 120 150 180 и, В б

а

Ва0.зЗг0.7ТЮз в атмосфере О2 при давлении 2 Па и температуре подложки 675 °С. Была изготовлена серия пленок ВБТО толщиной от 200 до 800 нм, значение которой оценивалось по времени осаждения. Разброс по толщине пленки в пределах подложки составлял 10-20 %.

Измерения геометрических параметров конденсаторов на оптическом микроскопе показали, что ширины зазоров изготовленных планарных конденсаторов 5 (см. рис. 1, а) составили 2 + 0.2 и 3.7 + 0.2 мкм. Площадь верхних электродов МДМ-конденсаторов (см. рис. 1, б) составила Бэ = а х Ь = 2

= 4 х 10 мкм для конденсаторов, содержащих пленку ВБТО толщиной 400 и 800 нм, и 6 х 15 мкм2 -для конденсаторов, содержащих пленку толщиной 200 нм.

Вольт-фарадные характеристики (ВФХ) конденсаторов измерялись на частоте 1.5 ГГц резонансным методом [1], управляющее напряжение прикладывалось к конденсатору в течение 1 с. Экспериментально измеренные ВФХ МДМ и планарных конденсаторов, содержащих ВБТО-плен-ки разной толщины кприведены на рис. 2.

Измеренные ВФХ МДМ-конденсаторов (рис. 2, а) симметричны с осью симметрии, сдвинутой относительно точки и = 0 на величину исм в сторону

положительного потенциала на нижнем (Р) электроде. Максимальная емкость превышает значение емкости при и = 0 не более чем на 3 %.

Для планарных конденсаторов ВФХ симметричны относительно и = 0 (рис. 2, б). Это может быть связано с тем, что емкость планарных конденсаторов и ее зависимость от управляющего напряжения определяются не только диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрической пленки, но и паразитной емкостью подложки, включенной параллельно.

На рис. 3 приведены зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрических пленок от напряжения смещения для двух типов конденсаторов, содержащих сегнетоэлектрические пленки разной толщины. Зависимости построены для тех же значений толщины подложки, что и зависимости на рис. 2.

Диэлектрическая проницаемость пленки в составе МДМ-конденсатора рассчитывалась по стандартной формуле для плоскопараллельного конденсатора: 8 = к"С/(20£э), где С - экспериментально измеренная емкость конденсатора; 80 -диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Для планарного конденсатора в пара-электрической фазе расчеты проводились по формуле [2]

а б

Рис. 3

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2016. Вып. 1

е =

С 2, Л Ь Л 1 , 1Ч, (г Иг + И, ---1п| 4— I--(е5 - 1)1п| 16-^-

80^ % V 5 У % V %5

5 4, , — + - 1п2

Иг %

+1,

где w и 5 - длина и ширина зазора конденсатора соответственно; Ь - ширина конденсатора; е5 и И5 - диэлектрическая постоянная и толщина подложки соответственно.

Как видно из графиков рис. 3, а, в МДМ-конденсаторе с пленкой ВБТО толщиной 200 нм наблюдается размерный эффект - зависимость характеристик пленки от ее толщины, - приводящий к существенному уменьшению диэлектрической проницаемости и управляемости пленки напряжением смещения. В планарных же конденсаторах при тех же толщинах сегнетоэлектриче-ской пленки размерный эффект не появляется: проницаемость пленок практически не зависит от толщины (рис. 3, б).

Размерный эффект в конденсаторе является следствием корреляции поляризации в сегнето-электрической пленке и появляется при равенстве нулю поляризации на ее границах [3]. Основной характеристикой размерного эффекта служит корреляционный параметр А, значения которого определяются из обработки дисперсионных кривых сегнетоэлектрической моды [3], [4]. В пара-электрическом состоянии диэлектрическая проницаемость тонкой пленки сегнетоэлектрика в корреляционной модели имеет вид

8-1 = 8-1 8 = 800

2/3

((

2 , „3 )

23

+ „

-„ + 2е,

00

у/Щ

Иг \

где 800 - аналог постоянной Кюри-Вейсса;

?=/й+ЕЕЗ); „=тТ-1

(- параметр размытия фазового перехода, вызываемого полем заряженных дефектов; Еп -напряженность нормирующего поля; Тс - температура Кюри).

Для упрощения расчетов в условиях действия размерного эффекта удобно использовать модель "мертвого" слоя, основная концепция которой ба-

зируется на введении на поверхности сегнето-электрической пленки слоя линейного диэлектрика, не обладающего сегнетоэлектрическими свойствами, - так называемого мертвого слоя. Толщина "мертвого" слоя определяется значением кор -реляционного параметра и для ВБТО составляет

единицы нанометров: И^ = е^д/2 А = 2... 4 нм при диэлектрической постоянной этого слоя = = 40...50 [5], [6]. В МДМ-конденсаторе "мертвые" слои находятся на границе раздела сегнетоэлектрической пленки и проводящих электродов. В данном случае емкость, обусловленная "мертвым" слоем, соединена с емкостью сегнетоэлектриче-ской пленки последовательно и вносит существенный вклад в полную емкость конденсатора:

С =

2Сг + СА '

где Сг, С^ - емкости сегнетоэлектрика и "мертвого" слоя соответственно.

В планарном конденсаторе "мертвый" слой расположен на поверхности сегнетоэлектриче-ской пленки, граничащей с электродами, но, так как его площадь велика при малой толщине, в планарном конденсаторе имеет место сильное растекание линий электрического поля в этом слое и их концентрация мала. В данном случае емкость мертвого слоя

-1-1

/I

С1 =80 (Г )

5 + 4, 2

--+ — 1п2

И,1 %

оказывается включенной параллельно с емкостью сегнетоэлектрической пленки: С = Сг + С^ и ее вклад в полную емкость конденсатора пренебрежимо мал (при 81 = 40, И,1 = 4 нм, w = 0.4 мм емкость мертвого слоя С^ = 1.6 фФ).

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования показали, что в планарном конденсаторе размерный эффект не возникает при уменьшении толщины пленки до 200 нм, в то время как в МДМ-структуре при данной толщине влияние размерного эффекта приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости пленки почти в два раза.

Авторы признательны проф. О. Г Вендику за предложение исследования данной проблемы и полезные дискуссии в процессе ее решения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измерение емкости и диэлектрических потерь планарных конденсаторов на сегнетоэлектрической плёнке в диапазоне СВЧ / М. М. Гайдуков, А. Б. Козырев, А. С. Рубан и др. // Радиотехника и электроника. 1975. Т. 20, вып. 12. С. 2588-2591.

2. Вендик О. Г., Зубко С. П., Никольский М. А. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий сегнетоэлектрический слой // ЖТФ. 1999. T. 69, вып. 4. С. 1-7.

3. Вендик О. Г., Зубко С. П. Размерный эффект в сегнетоэлектриках типа смещения // Кристаллография. 2004. Т. 49, вып. 5. С. 1-7.

S. P. Zubko, A. G. Gagarin, N. Yu. Medvedeva Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

4. Vendik O. G., Zubko S. P. Ferroelectrics as Constituents of Tunable Metamaterials, in "Theory and Phenomena of Metamaterials" / ed. by F. Capolino. Boca Raton: CRC Press, 2009. P. 33-1-33-43.

5. Vendik O. G., Zubko S. P., Medvedeva N. Yu. "Dead Layer" Characteristics Based on a Correlation of the Ferroelectric Polarization under Relevant Boundary Conditions in a Parallel Plate Capacitor // J. Appl. Phis. 2009. Vol. 105, iss. 5. P. 053515(1-4).

6. Thickness and Dielectric Constant of Dead Layer in Pt/(Baa7Sr03)TiO3/YBa2Cu3O7_x Capacitor / B. Chen, H. Yang, L. Zhao, J. Miao, B. Xu , X. G. Qiu, B. R. Zhao // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, iss. 4. Р. 583-585.

Effective dielectric permittivity of ferroelectric film included in parallel-plate and planar ferroelectric capacitors

The characteristics of parallel-plate and planar ferroelectric capacitors are investigated experimentally and theoretically. The size effect in Ba0 3Sr0 7TiO3 included into parallel-plate and planar capacitors is studied.

Thin film, size effect, ferroelectrics, capacitor Статья поступила в редакцию 18 ноября 2015 г.

УДК 621.315.592

С. А. Тарасов, И. А. Ламкин, А. С. Евсеенков, И. И. Михайлов, А. В. Соломонов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Селективные фоточувствительные структуры на основе барьера Шотки Ли-Л^аЫ

Созданы и исследованы селективные фоточувствительные структуры на основе барьера Шотки Аи-А1ваЫ для ультрафиолетового диапазона спектра. Показаны методы управления спектром фоточувствительности за счет применения эффектов широкозонного окна и надбарьерного переноса в структурах Аи-А1ваЫ. Получены фотодиоды с полушириной спектра фоточувствительности Б...6 нм для длин волн 351.373 нм и чувствительностью до 140 мА/Вт.

Фотодиод, AlGaN, ультрафиолетовая область, барьер Шотки

Фоточувствительные структуры и приборы на их основе в настоящее время широко используются практически во всех областях человеческой деятельности [1], [2]. В последние годы для ряда военных и гражданских применений все более востребованными становятся фотоприемники, обладающие чувствительностью в ультрафиоле-товой (УФ) части спектрального диапазона [3]. Одним из наиболее актуальных примеров исполь-

зования подобных приборов являются системы УФ-локации, способные эффективно обнаруживать аппараты различного назначения по УФ -составляющей излучения реактивной струи, в том числе находящиеся в космическом пространстве [4]. К гражданским применениям можно отнести: контроль уровня УФ-излучения при обеззараживании воды и при некоторых медицинских процедурах; экологический мониторинг, включая ис-

54

© Тарасов С. А., Ламкин И. А., Евсеенков А. С., Михайлов И. И., Соломонов А. В., 2016