CC BY
14
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
А. С. Сидоркин,
доктор физико-математических наук, профессор
Л. П. Нестеренко,
кандидат физико-математических наук, доцент
С. В. Железный,
кандидат технических наук
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ В СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УСТРОЙСТВ СВЧ ДИАПАЗОНА
INVESTIGATION OF DIMENSIONAL EFFECTS IN FERROELECTRIC FILMS FOR THE CREATION OF DEVICES MICROWAVE RANGE
Проведено экспериментальное исследование зависимости размеров кристаллитов в поликристаллических пленках титаната свинца PbTiO3 от температуры окончательного отжига при синтезе перовскитовой фазы. Пленки были синтезированы на диэлектрической подложке из поликора AhO3, представляющей собой стандартный чип с планарной структурой электродов. Было установлено, что размеры кристаллитов влияют на диэлектрические свойства исследуемых пленок.
An experimental study of the dependence of the crystallite sizes on the annealing temperature in polycrystalline films of lead titanate PbTiO3 was carried out. The films were synthesized on a dielectric substrate of Al2O3 polycore. The substrate was a standard chip with a planar structure of electrodes. It was found that the sizes of the crystallites affect the dielectric properties of the studied films.
Введение. Одним из перспективных направлений при создании различных устройств СВЧ диапазона, таких как перестраиваемые фильтры, резонаторы, фазовраща-
тели и фазированные антенные решетки (ФАР) в настоящее время является использование сегнетоэлектрических пленок, выращенных на диэлектрических подложках [1—4].
Фазовращатели на основе сегнетоэлектрических материалов обладают меньшим временем переключения, более низкими фазовыми шумами и себестоимостью, являются более энергоэффективными, по сравнению с используемыми в настоящее время устройствами на p-i-n диодах, а также обладают возможностью интегрального исполнения [5, 6].
Применение сегнетоэлектриков при создании различных резонансных элементов позволяет решить проблему существенного уменьшения собственной добротности при изменении диэлектрической проницаемости. Так, например, повышение добротности микрополосковых резонаторов позволит существенно уменьшить потери сегнетоэлек-трических фазовращателей, что значительно сократит количество таких фазовращателей в ФАР [7]. Таким образом, применение сегнетоэлектрических пленок позволит существенно повысить характеристики различных СВЧ приборов по сравнению с устройствами, реализованными на других материалах.
Одним из основных преимуществ сегнетоэлектрических пленок является возможность управлять их диэлектрическими свойствами путем приложения внешнего поля [8], а также путем изменения соотношения фазового состава получать пленки в сегнетоэлектри-ческой или параэлектрической фазе в необходимом рабочем диапазоне температур СВЧ устройств.
Использование наноразмерных сегнетоэлектрических пленок открывает путь к созданию интегральных чипов фазированных антенных решеток отражательного типа с высокой воспроизводимостью. Пример конструкции элемента такой антенны на основе пленки BST представлен в работе [9].
Применение наноразмерных сегнетоэлектрических пленок открывает новый путь к созданию электронно-перестраиваемых ФАР на основе сборки зеркала антенны из однотипных планарных СВЧ чипов. Такие антенны имеют потенциальное применение в широком спектре устройств, связанных с навигацией и радиолокацией, в том числе — в приборах двойного назначения.
Для многих СВЧ приложений более предпочтительной является планарная геометрия [6]. Такая геометрия обуславливает наиболее эффективное взаимодействие электромагнитной волны и сегнетоэлектрической поляризации. Функциональные элементы с планарной топологией электродов могут применяться для совмещения в единой структуре оптического и СВЧ сигналов.
Планарные структуры представляют большой интерес — как научный, изучение систем с определяющей ролью поверхности, так и практический. Они позволяют решить проблему нижнего электрода и, соответственно, существенно расширить круг возможных материалов подложки. Кроме того, с помощью резистивного нагревательного элемента, который можно нанести на нижнюю поверхность подложки, легко реализуется необходимый температурный режим.
Приведенные выше данные показывают, что технические характеристики устройств СВЧ диапазона могут быть улучшены за счет усовершенствования конструкции самих устройств, а также за счет применения наноразмерных пленок более высокого качества. Однако массовое применение сегнетоэлектрических пленок до сих пор ограничено тем, что свойства тонких пленок существенно отличаются от их объемных аналогов. Поэтому всестороннее исследование характеристик тонких сегнетоэлектрических пленок на сегодняшний день является важной и актуальной задачей.
Получение и характеристики образцов. Целью работы было исследование диэлектрических свойств тонких сегнетоэлектрических пленок титаната свинца, полученных на диэлектрических подложках из поликора AhO3, в зависимости от условий высокотемпературного отжига.
Для проведения исследований образцы тонких пленок титаната свинца PbTiO3 были синтезированы при помощи золь-гель технологии [10]. В этом случае использовались органические соединения металлов свинца Pb и титана Ti, которые при растворении образовывали гелеобразную массу, наносимую в дальнейшем на подложки. При этом были использованы следующие соединения: ацетат свинца Pb(CH3COO)2-3H2O и n-бутоксид титана Ti(OC4H9)4. Для получения исходного золя использовался органический растворитель — 2-метаксетанол HOCH2CH2OCH3. После этого происходило высушивание приблизительно 1 час при температуре 100°С, чтобы испарились молекулы воды, входящие в состав соединений. Далее добавлялось необходимое количество аце-тилацетона CH3COCH2COCH3 для стабилизации раствора. Более детальное описание приготовления рабочих растворов для получения исследуемых пленок было описано ранее в работах [11, 12]. При синтезе учитывалась необходимость введения свинца в избытке: Pb:Ti = 1,25: 1, т.к. в процессе дальнейшего высокотемпературного окисления при получении структуры перовскита образующийся оксид свинца является летучим соединением и часть свинца испаряется. В связи с этим экспериментально было подобрано соотношение Pb:Ti = 1.25:1 [13, 14].
В процессе окончательно высокотемпературного отжига на подложке происходила химическая реакция получения перовскитовой фазы PbTiO3. Высокотемпературный отжиг проводили в атмосфере кислорода. Были приготовлены образцы, которые отжигались в температурном интервале от 450°С до 750°С, и в дальнейшем изучался фазовый состав этих образцов. Исследования поверхности полученных пленок титаната свинца методами атомно-силовой микроскопии показали, что синтезированные пленки являются поликристаллическими.
В данной работе исследовались пленки титаната свинца на подложках из поликора Al2O3, представляющие собой планарные сегнетоконденсаторы с нанесенной системой платиновых электродов сверху и резистивным нагревательным элементом на нижней поверхности. Ток на нагревательный элемент подавался от цифрового источника постоянного тока. Подложка была распаяна золотой проволокой в стандартный чип (рис. 1).
W — длина одного конденсатора (в эксперименте использовались 2 соединенных параллельно конденсатора), d, S — размеры электродов планарного конденсатора, как обозначено на рис. 1. Величины W, d, S были получены путем усреднения значений, полученных по фотографиям серии образцов после компьютерной обработки. Температура контролировалась через изменение сопротивления резистивного нагревательного элемента. Для исследования температурной зависимости диэлектрической проницаемости проводились измерения полного сопротивления образцов при помощи анализатора импеданса Solartron Impedance Gain-Phase Analyzer 1260. Измерительное напряжение было выбрано равным 100 mV, что для исследуемых образцов составило ~ 5 В/см, температурный интервал — от 20 до 600°С, т.е. включал в себя и сегнетоэлектрическую, и параэлектрическую фазы.
Рис. 1. Внешний вид чипа, на котором синтезировались пленки титаната свинца
Метод конформных отображений позволяет преобразовать поле в планарной структуре в поле плоского конденсатора и рассчитать его емкость. В нашем случае емкость пленки без учета подложки была получена из измеренной емкости с помощью метода частичных емкостей. Основные формулы и погрешности расчета приведены в [15, 16].
Сизм = С1 + С2 + Сз (1)
где С1 — емкость воздушного конденсатора, С2 — емкость пленки, Сз — емкость подложки.
2 I
С1 = Ж -е0 ■ — 1п(4 -); (2)
ж £
Ж Е0(Е2 -Е3)
+
1
С = Ж -е0 ■ (е3 -1)—1п
ж
16-
И3 - И2 £ ■ ж
(з)
(4)
где И2 и Из — толщина пленки и подложки соответственно; ео — 8,85-10-12 Ф/м; 62 — относительная диэлектрическая проницаемость пленки; ез — относительная диэлектрическая проницаемость подложки (для поликора 8,6—10). Расчетная емкость пустого образца без пленки составила 1,6—1,8 пФ, что соответствует значениям полученным экспериментально. Тогда
С2 = Сизм/2 - С1 - Сз; (5)
62 = (ез + С2/К1), (6)
Ж-Е
Ж Е (7)
где
К- =
+
ж
1п(2)
Результаты эксперимента и их обсуждение. Микроструктура поверхности полученных пленок была исследована при помощи атомно-силового микроскопа Бет1;о8сап-001-0п1те. Синтезированные пленки имели поликристаллическую структу-
2
2
ру с достаточно однородной поверхностью. Причем, как показали экспериментальные исследования, размеры кристаллитов зависят от температуры отжига.
Для определения фазового состава пленок использовался рентгеновский ди-фрактометр ДРОН-3М (CuKa-излучение). Расшифровка полученных дифрактограмм выполнена с использованием базы данных Powder Diffraction File (PDF-2). Рентгенофа-зовый анализ образцов показал, что формирование фазы PbTiO3 происходит при температурах выше 650°С.
Было приготовлено в одинаковых условиях необходимое количество образцов пленок толщиной 500 нм, которые отдельно отжигались при температурах 680°С, 700°С и 720°С. В дальнейшем для каждого из этих образцов проводился рентгенофазо-вый анализ, исследование микроструктуры поверхности и диэлектрических свойств.
На рис. 2 представлены дифрактограммы пленок титаната свинца, полученные при различных температурах окончательного отжига. Как видно из рисунка, с ростом температуры отжига усиливается пик интенсивности, соответствующий 39°, который является характерным для структуры перовскита, т.к. он соответствует ориентациям кристаллитов с индексами (111).
а) б)
Рис. 2. Дифрактограммы пленок титаната свинца толщиной 500 нм, полученных при различных режимах отжига: а — 680°С, б — 720°С
Также уменьшаются интенсивности нелетучего оксида свинца Pb2Oз, который остается в структуре и может ухудшать стехиометрию пленки. Таким образом, при увеличении температуры окончательного отжига пленок до 720 °С происходит укрупнение кристаллитов, наблюдается определенная выделенная ориентация (111), что оказывает существенное влияние на диэлектрические свойства пленок.
Было установлено, что в процессе высокотемпературного отжига происходит изменение размеров кристаллитов: с увеличением температуры отжига увеличивается размер зерен. На рис. 3 показаны поверхности и рельефы пленок титаната свинца PbTiOз, полученные при помощи атомно-силового микроскопа. Эти рисунки наглядно показывают укрупнение кристаллитов с увеличением температуры отжига.
По оценкам, сделанным при помощи атомно-силового микроскопа, были получены изменения размеров кристаллитов от 200^250 нм до 300^400 нм.
Укрупнение размеров кристаллитов с увеличением температуры отжига сказывается на изменении диэлектрической проницаемости и проводимости пленок. На рис. 4 показаны температурные зависимости диэлектрической проницаемости при различных температурах отжига и, соответственно, различных размеров кристаллитов. Как видно из графиков, с увеличением температуры отжига происходит увеличение значе-
ния в' в максимуме, т.е. при температуре фазового перехода. При этом происходит смещение точки Кюри в сторону более низких температур.
а) б)
Рис. 3. АСМ-фотография поверхности пленки титаната свинца при температурах
отжига: а — 680°С; б — 720°С
Рис. 4. Температурная зависимость в диэлектрической проницаемости для пленок титаната свинца при различных режимах отжига: 1 — 720 °С; 2 — 680 °С
В работе также были исследованы петли диэлектрического гистерезиса для пленок РЬТЮэ толщиной 500 нм при различных температурах окончательно отжига в кислороде. В таблице приведены значения поляризации коэрцитивного поля Ес и внутреннего поля смещения ЕЬ, полученные по данным петель гистерезиса для различных температур отжига пленок.
Сегнетоэлектрические свойства пленок РЬТЮэ толщиной 500 нм в зависимости
от размеров кристаллитов
Температура отжига Тотж °С Размеры кристаллитов d, нм Спонтанная поляризация Ps, мкКл/см2 Коэрцитивное поле Ес, кВ/см Внутреннее поле смещения Еь, кВ/см
680 200 22 670 110
700 250 24 650 80
720 350 25 600 50
Заключение. На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением температуры отжига происходит увеличение размеров кристаллитов, что отражается на диэлектрических свойствах пленок. В частности, показано, что с ростом размеров кристаллитов увеличивается значение диэлектрической проницаемости в максимуме, а сама точка фазового перехода смещается в сторону низких температур. При этом наблюдается уменьшение коэрцитивного и внутреннего поля смещения и увеличения спонтанной поляризации. Таким образом, изменение температуры отжига дает возможность создавать пленки с заранее заданными параметрами, что является необходимым для создания СВЧ устройств микро- и наноэлектроники.
ЛИТЕРАТУРА
1. High frequency Coplanar Microwave Resonator using ferroelectric thin film for Wireless Communication Applications / Gupta R. [et al.] // Mater. Today Proc. — 2018. — Vol. 5. — № 7. — P. 15395—15398.
2. Pb0.3Sr0.7TiO3 thin films for high-frequency phase shifter applications / M. Jain, [et al.] // Appl. Phys. Lett. — 2004. —Vol. 85. — № 2. — P. 275—277.
3. High Frequency Thick Film BST Ferroelectric Phase Shifter / K.S.K. Yeo [et al.] // Integr. Ferroelectr. — 2004. — Vol. 61. — № 1. — P. 65—70.
4. X-Band Phased Array Antenna Using Ferroelectric (Ba,Sr)TiO3 Coplanar Waveguide Phase Shifter / S. E. Moon [et al.] // ETRI J. — 2005. — Vol. 27. — № 6. — P. 677—684.
5. Проходной фазовращатель на основе сегнетоэлектрических управляющих элементов для работы в составе фазированной антенной решетки / М. Д. Парнес [и др.] // Радиотехника. — 2009. — Т. 10. — С. 128—133.
6. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства : монография / под ред. А. С. Сигова. — М., 2011. — 175 с.
7. Analysis and Optimization of Thin-Film Ferroelectric Phase Shifters / R. R. Roma-nofsky [et al.] // MRS Proc. — 1999. — Vol. 603. — P. 3.
8. Shut V. N., Syrtsov S. R., Trublovsky V. L. Ferroelectric properties of composition-ally graded BST ceramics // Phase Transitions. — 2010. — Vol. 83. — № 5. — P. 368-377.
9. Мухортов В.М., Юзюк Ю.И. Гетероструктуры на основе наноразмерных се-гнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение // Изд-во ЮНЦ. — 2008. — 224 с.
10. Внутреннее поле в сегнетоэлектрических пленках с разными электродами / Б. М. Даринский [и др.] // Физика твердого тела. — 2015. — Т.57, вып.3. — С.536—539.
11. Влияние электрического поля на процессы усталости тонких сегнетоэлект-рических пленок / А. С. Сидоркин [и др.] // Кристаллография. — 2011. — Т. 56. — С. 90—92.
12. Эволюция токов переключения в процессе накопления усталости в тонких пленках титаната свинца и цирконата-титаната свинца / А. С. Сидоркин [и др.] // Изв РАН. Сер. физ. — 2011. — Т. 75. — С. 1385—1389.
13. Диэлектрические свойства тонких пленок РЬТЮз / А. С. Сидоркин [и др.] // Физика твердого тела. — 2004. — Т. 46. — № 10. — С. 1841—1844.
14. Dielectric properties of lead titanate thin films on corundum substrates / A. S. Si-dorkin [et al.] // Physics of Solid State. — 2006. — Vol. 48. — P. 1189.
15. Вендик О. Г., Зубко С. П., Никольский М. А. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий слой сегнетоэлектрика // Журнал технической физики. — 1999. — Т. 69. — Вып. 4. — С. 1.
16. Вендик О. Г., Никольский М. А. Учет нелинейности сегнетоэлектрического слоя в модели планарного конденсатора // Письма в Журнал технической физики. — 2003. — Т. 29. — Вып. 5. — С. 20.
REFERENCES
1. High frequency Coplanar Microwave Resonator using ferroelectric thin film for Wireless Communication Applications / Gupta R. [et al.] // Mater. Today Proc. — 2018. — Vol. 5. — № 7. — P. 15395—15398.
2. Pb0.3Sr0.7Ti03 thin films for high-frequency phase shifter applications / M. Jain, [et al.] // Appl. Phys. Lett. — 2004. —Vol. 85. — № 2. — P. 275—277.
3. High Frequency Thick Film BST Ferroelectric Phase Shifter / K.S.K. Yeo [et al.] // Integr. Ferroelectr. — 2004. — Vol. 61. — № 1. — P. 65—70.
4. X-Band Phased Array Antenna Using Ferroelectric (Ba,Sr)Ti03 Coplanar Waveguide Phase Shifter / S. E. Moon [et al.] // ETRI J. — 2005. — Vol. 27. — № 6. — P. 677—684.
5. Proxodnoj fazovrashhatel' na osnove segnetoe'lektricheskix upravlyayushhix e'lementov dlya raboty' v sostave fazirovannoj antennoj reshetki / M. D. Parnes [i dr.] // Ra-diotexnika. — 2009. — T. 10. — S. 128—133.
6. Vorotilov K. A., Muxortov V. M., Sigov A. S. Integrirovanny'e segnetoe'lektricheskie ustrojstva : monografiya / pod red. A. S. Sigova. — M., 2011. — 175 s.
7. Analysis and Optimization of Thin-Film Ferroelectric Phase Shifters / R. R. Roma-nofsky [et al.] // MRS Proc. — 1999. — Vol. 603. — P. 3.
8. Shut V. N., Syrtsov S. R., Trublovsky V. L. Ferroelectric properties of composition-ally graded BST ceramics // Phase Transitions. — 2010. — Vol. 83. — № 5. — P. 368-377.
9. Muxortov V.M., Yuzyuk Yu.I. Geterostruktury' na osnove nanorazmerny'x segnetoe'lektricheskix plenok: poluchenie, svojstva i primenenie // Izd-vo YuNCz. — 2008. — 224 s.
10. Vnutrennee pole v segnetoe'lektricheskix plenkax s razny'mi e'lektrodami / B. M. Darinskij [i dr.] // Fizika tverdogo tela. — 2015. — T.57, vy'p.3. — S.536—539.
11. Vliyanie e'lektricheskogo polya na processy' ustalosti tonkix segnetoe'lektricheskix plenok / A. S. Sidorkin [i dr.] // Kristallografiya. — 2011. — T. 56. — S. 90—92.
12. E'volyuciya tokov pereklyucheniya v processe nakopleniya ustalosti v tonkix plenkax titanata svincza i cirkonata-titanata svincza / A. S. Sidorkin [i dr.] // Izv RAN. Ser. fiz. — 2011. — T. 75. — S. 1385—1389.
13. Die'lektricheskie svojstva tonkix plenok PbTi03 / A. S. Sidorkin [i dr.] // Fizika tverdogo tela. — 2004. — T. 46. — № 10. — S. 1841—1844.
118
14. Dielectric properties of lead titanate thin films on corundum substrates / A. S. Si-dorkin [et al.] // Physics of Solid State. — 2006. — Vol. 48. — P. 1189.
15. Vendik O. G., Zubko S. P., Nikol'skij M. A. Modelirovanie i raschet emkosti pla-narnogo kondensatora, soderzhashhego tonkij sloj segnetoe'lektrika // Zhurnal texnicheskoj fiziki. — 1999. — T. 69. — Vy'p. 4. — S. 1.
16. Vendik O. G., Nikol'skij M. A. Uchet nelinejnosti segnetoe'lektricheskogo sloya v modeli planarnogo kondensatora // Pis'ma v Zhurnal texnicheskoj fiziki. — 2003. — T. 29. — Vy'p. 5. — S. 20.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Сидоркин Александр Степанович. Профессор кафедры экспериментальной физики. Доктор физико-математических наук, профессор.
Воронежский государственный университет.
E-mail: [email protected]. ru
Россия, 394018, г. Воронеж, Университетская пл., д. 1. Тел. +7(473) 220-86-25.
Нестеренко Лолита Павловна. Доцент кафедры экспериментальной физики. Кандидат физико-математических наук, доцент.
Воронежский государственный университет.
E-mail: [email protected]
Россия, 394018, г. Воронеж, Университетская пл., д. 1. Тел. +7 (473) 220-86-25.
Железный Сергей Владимирович. Начальник кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. +7(473) 200-52-60.
Sidorkin Alexander Stepanovich. Professor of the chair of Experimental Physics. Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor.
Voronezh State University.
Work address: Russia, 394018, Voronezh, University Sq., 1. Tel. +7 (473) 220-86-25.
Nesterenko Lolita Pavlovna . Assistant professor of the chair of Experimental Physics. Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Assistant Professor.
Voronezh State University.
Work address: Russia, 394018, Voronezh, University Sq., 1. Tel. +7 (473) 220-86-25.
Zhelezny Sergey Vladimirovich. Head of the chair of Physics and Radioelectronics. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. +7 (473) 200-52-60.
Ключевые слова: сегнетоэлектричсекие пленки; поляризация; коэрцитивное поле; диэлектрические свойства; доменные границы.
Key words: ferroelectric films; polarization; coercive field; dielectric properties; domain wall.
УДК 537.226.4
