Исследование релаксационных процессов в тонких сегнетоэлектрических пленках Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 53.03; 53.043

А. Г. Алтынников, М. М. Гайдуков, А. Г. Гагарин, А. В. Тумаркин

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

I Исследование релаксационных процессов в тонких сегнетоэлектрических пленках

Описано исследование явления медленной релаксации диэлектрической проницаемости тонких сегнетоэлектрических пленок. Также исследовано влияние ультрафиолетового излучения на времена медленной релаксации.

Медленная релаксация, тонкие сегнетоэлектрические пленки, плоскопараллельный конденсатор

В настоящее время сегнетоэлектрики являются одним из наиболее перспективных материалов для использования их в устройствах СВЧ-техники. Существенная нелинейность диэлектрической проницаемости позволяет конструировать на их основе устройства с электрическим управлением [1]-[3]. Объектами исследования, описанного в настоящей статье, являлись конденсаторы на основе тонких сегнетоэлектрических пленок. Такие

конденсаторы обладают хорошей управляемостью (K = C (0)/C (Umax )) при достаточно

низких напряжениях [4]. Одной из особенностей данных структур являются релаксационные процессы - физическое явление, суть которого заключается в том, что емкости конденсатора до и после подачи управляющего импульса напряжения неравны. Настоящая статья описывает исследование этого явления, проведенного с целью уменьшения времени релаксационных процессов, приводящих к снижению эффективной управляемости сег-нетоэлектрических конденсаторов в импульсном режиме.

В статье представлены экспериментальные зависимости, полученные для сегнето-электрических конденсаторов плоскопараллельной, планарной и четырехэлектродной конструкций. Конденсаторы изготовлены на основе тонкой пленки твердого раствора ти-таната бария - титаната стронция состава Bao 35^го 65TÍO3 толщиной 0.6 мкм. Емкость конденсаторов составляла около 1 пФ. Измерения проводились на частотах 1 МГц и 1 ГГц при комнатной температуре.

Для выявления особенностей релаксационных явлений в конденсаторах разной конструкции исследовались вольт-фарадные характеристики, а также зависимости емкости в паузе между импульсами от амплитуды импульса. Качественно эти зависимости приведены на рис. 1. Положительное напряжение, приложенное к плоскопараллельному конденсатору, соответствует знаку "+" на верхнем медном электроде. На графиках видно, что у четырехэлектродных (рис. 1, б) и плоскопараллельных (рис. 1, в) конденсаторов имеется в отличие от планарных (рис. 1, а) конденсаторов некоторый порог релаксации, т. е. существует пороговое значение напряженности электрического поля и соответствующего ему напряжения, до которого релаксационные явления не наблюдаются. В отличие от других конструкций только плоскопараллельный конденсатор обладает асимметрией вольт-фа-

© Алтынников А. Г., Гайдуков М. М., Гагарин А. Г., Тумаркин А. В., 2008

67

Cu

Cu

Cu

C

// \\

Г7\ Г71

BSTO

Pt Pt

\\\Ч

C

—j Г" Л

У J \ \

///

BSTO

Pt

\\\\\\\\\

C

г \

У / \ \

/

U

U

U

б

Рис. 1

раднои характеристики: наличием порога релаксации при положительном и отсутствием его при отрицательном управляющем напряжении.

Возможной причиной медленных релаксационных процессов в сегнетоэлектрике может быть существование остаточного объемного заряда. Зависимости остаточного заряда (кривая 1) и заряда конденсатора (кривая 2) от амплитуды импульсов приведены на рис. 2. При расчете величины заряда по приложенному напряжению импульса (Q = Си) по значению резонансной частоты определялось соответствующее этому напряжению значение емкости. Остаточное напряжение на конденсаторе в паузе импульса восстанавливалось из значения емкости по вольт-фарадной характеристике. Таким образом, остаточный заряд в паузе импульсов определялся по измеренному значению емкости и соответствующему этой емкости напряжению.

а

в

Рис. 2

а

Рис. 3

б

Как видно из приведенных зависимостей, остаточный заряд может достигать 50 % от начального. Кроме того, что величина остаточного заряда при отрицательной полярности значительно выше, чем при положительной. Также отчетливо виден порог релаксации, значение которого в данном случае равно 15...20 В, что соответствует напряженности электрического поля 30.40 В/мкм.

Для выяснения причин и возможных центров локализации остаточного заряда необходимо более детально рассмотреть технологию получения конденсаторов. Нанесение сегнетоэлектрической пленки на платиновый электрод производится методом маг-нетронного напыления при высоких температурах в кислородсодержащей среде. Последующее нанесение меди на пленку ББТО производится термическим испарением в вакууме, что способствуют образованию на границе ББТО и медного электрода избыточной концентрации кислородных вакансий и, в свою очередь, приводит к образованию остаточного заряда при снятии управляющего напряжения с конденсатора.

Профили концентрации элементов в пленках ББТО, полученные методом ВИМС, показывают, что переходные слои в структуре "ББТО-медь" имеют размер 30.50 нм. Приняв типичное значение остаточного объемного заряда 5.10 пКл, для площади, соответствующей площади электродов исследуемых конденсаторов, получим концентрацию

18 19 —3

центров захвата в приэлектродных слоях 10 „.10 см .

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) конденсатора со структурой "металл-дтэлектрик-металл" (МДМ) приведена на рис. 3. Асимметрию приведенной характеристики можно объяснить наличием барьера Шоттки на границе "платина-ББТО" и его подавлением на границе "медь-ББТО" вследствие особенностей технологии получения пленки ББТО и электродов, описанных выше. Асимметрией ВАХ можно объяснить также и наличие порога релаксации.

Увеличение порогового электрического поля, ведущего к появлению гистерезисных и медленных релаксационных явлений в ББТО-структурах в параэлектрической фазе, может быть достигнуто за счет снижения дефектности по кислороду в приэлектродных слоях.

Проведены исследования воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения как метода борьбы с релаксационными явлениями в сегнетоэлектриках. Физика этого метода заключается в том, что поглощение ультрафиолетового излучения ББТО-пленкой, обусловленное прямыми переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости, может привести к увеличению проводимости и, следовательно, к уменьшению времен релаксации т « ЯС. Зависимости остаточного заряда плоскопараллельного конденсатора от длительности паузы между импульсами под действием излучения (штриховые линии) и без него (сплошные линии) приведены на рис. 4, а, а ВАХ конденсаторов при тех же условиях - на рис. 4, б.

Временные и вольт-амперные характеристики для четырехэлектродных и планарных конденсаторов имели тот же характер, что и для плоскопараллельных. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что генерация неравновесных носителей в объеме ББТО-пленки в параэлектрической фазе при УФ-облучении ведет к увеличению проводимости на 1-2 порядка и к достаточно существенному подавлению релаксационных явлений с временами т > 1 с .

Библиографический список

1. Управляемый делитель СВЧ-мощности на основе тонкопленочных сегнетоэлектрических элементов / О. И. Солдатенков, А. В. Иванов, Н. В. Самойлов и др. // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Мат-лы 12-й Междунар. конф. "КрыМиКо'2000", г. Севастополь, Украина, 10-14 сент. 2002 г. С. 383-384.

2. 60 GHz phase shifters based on BSTO ferroelectric film / A. Kozyrev, A. Ivanov, O. Soldatenkov // ISIF-2002, 27 May-1 June 2002, Nara, Japan. 29E-MW1-4P.

3. Millimeter-wave loaded line ferroelectric phase shifters / A. Kozyrev, A. Ivanov, O. Soldatenkov et al. // Integrated ferroelectrics. 2003.Vol. 55. P. 847-852.

4. Тумаркин А. В., Разумов С. В., Алтынников А. Г. СВЧ МДМ-конденсаторы на основе сегнетоэлектрических тонких пленок / А. Б. Козырев, М. М. Гайдуков, А. Г. Гагарин и др. // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: Мат-лы 16-й Междунар. конф. "КрыМиКо'2006", г. Севастополь, Украина, 10-14 сент. 2006 г. С. 598-599.

A. G. Altynnikov, M. M. Gaydukov, A. G. Gagarin, A. V. Tumarkin Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI"

Investigation of relaxation process in thin ferroelectrics films

Investigation of ferroelectric thin film permittivity slow relaxation is described. Influence of ultraviolet radiation on relaxation time is researched.

Slow relaxation, thin ferroelectric film, sandwich capacitors

Статья поступила в редакцию 30 марта 2007 г.

УДК 621. 372.8

М. Г. Рубанович

Сибирская государственная геодезическая академия В. П. Разинкин, Ю. В. Востряков, В. А. Хрусталев, А. Ж. Абденов

Новосибирский государственный технический университет

I Матричный метод расчета индуктивных параметров эквивалентной схемы пленочного резистора

На основе декомпозиционного подхода разработан матричный метод расчета индуктивных и взаимоиндуктивных параметров эквивалентной схемы пленочных СВЧ-ре-зисторов большой мощности. Получено обобщенное соотношение, связывающее значения декомпозиционных индуктивных и взаимоиндуктивных параметров с собственной индуктивностью пленочного резистора при произвольном выборе числа токовых полос. Предложенный метод обеспечивает адекватность определения индуктивных параметров эквивалентной схемы СВЧ-пленочных резисторов в дециметровом диапазоне за счет учета эффекта вытеснения тока на края резистивной пленки.

Пленочный резистор, метод токовых линий, диссипативные потери, индуктивно связанные блоки, согласование, Z-матрица

Пленочные планарные СВЧ-резисторы в микрополосковом исполнении, выполненные на бериллиевой диэлектрической подложке и установленные на теплоотвод, способны рассеивать мощность до 200 Вт [1]. Такие резисторы применяются в метровом и дециметровом диапазонах в качестве базовых элементов для построения широкополосных многоэлементных нагрузок и измерительных аттенюаторов на мощность до 10 кВт [2]. В общем случае моделирование частотных свойств пленочных резисторов может быть проведено с помо-70 © Рубанович М. Г., Разинкин В. П., Востряков Ю. В., Хрусталев В. А., Абденов А. Ж., 2008