CC BY
51
М. С. Афанасьев и др. Вольтфарадные характеристики МДП-структур
УДК 537.9
ВОЛЬТФАРАДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНОК
М. С. Афанасьев, А. Ю. Митягин, Г. В. Чучева
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук E-mail: [email protected]
Созданы на кремниевых подложках n и p-типа гетероструктуры металл-сегнетоэлектрик-полупроводник (МСЭП). Реализованы в МСЭП-структуре электронно-управляемые конденсаторные элементы. Измеренные при напряжении смещения ±50 В параметры конденсаторных элементов показали, что ход вольтфа-радных характеристик конденсаторных элементов на кремнии p-типа зеркально отражает ход вольтфарадных характеристик на кремнии n-типа.
Ключевые слова: сегнетоэлектрик, структура металл-сегне-тоэлектрик-полупроводник, кремний, вольтфарадная характеристика.
Voltage-capacitance Characteristics of MIS-structures Based on Ferroelectric Films
M. S. Afanasiev, A. Yu. Mityagin, G. V. Chucheva
Metal-ferroelectric-semiconductor (MFS) heterostructures are created on n-type and p-type silicon substrates. Electronically-controlled capacitors are realized in MFS heterostructures. Measured parameters of electronically-controlled capacitors at 50 V bias voltage showed, that the stroke of voltage-capacitance characteristics of capacitors on the p-type silicon mirror reflexion of the stroke of voltage-capacitance characteristics of capacitors on the n-type silicon.
Key words: ferroelectric, metal-ferroelectric-semiconductor heterostructure, silicon, voltage-capacitance characteristics.
Введение
Работа большинства микроэлектронных устройств, использующих МДП-структуры, основана на эффекте поля в полупроводнике [1]. Перспективными материалами для устройств хранения и обработки информации являются активные диэлектрики. Среди активных диэлектриков тонкоплёночные сегнетоэлектрики, изменяющие диэлектрическую проницаемость под действием приложенного поля, представляют практический интерес для создания перепрограммируемых запоминающих устройств [2].
Целью работы является создание МСЭП-структур на основе сегнетоэлектрических плёнок состава Ba0 2Sr0 8TiO3 на кремниевых подложках n- и р-типа и исследование их фазового состава, а также измерение вольтфарадных характеристик структур.
МСЭП-структуры создавали напылением на одну сторону кремниевой (Si) подложки плёнок Ba0 2SrQ 8TiO3 с последующим формированием на поверхности плёнки и подложки электродов из никеля. Толщина подложек составляла 200±2 мкм. Напыление плёнок осуществляли на предварительно нагретые от 550 до 850 °С подложки.
Сегнетоэлектрические плёнки состава Ba0 2Sr0 8TÍO3 напыляли методом высокочастотного реактивного распыления керамической мишени в атмосфере кислорода [3]. Скорость напыления плёнок составляла 20-30 нм/мин. В качестве подложек использован кремний р-типа марки КДБ 0.01^20 и и-типа КЭФ 0.01^20 с кристаллографической ориентацией (100). Методом электронно-лучевого испарения электроды диаметром 800 мкм и толщиной 1.2±0.2 мкм формировали через теневую маску на поверхности плёнки Ba0 2Sr0 8TÍO3, а на обратной стороне кремниевой подложки создавали сплошной электрод толщиной ~2 мкм.
Фазовый состав плёнок Ba0 2S^ 8TÍO3 исследован на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 со стандартными гониометрическими приставками ГП-13 и ГП-14. Исследования проводили совместно с ФГУП «РНИИРС». На рис. 1 приведены рентгенограммы плёнок Ba0 2S^ 8TÍO3, выращенные в интервале температур 710-730 °C.
Выращенные в интервале температур 710730 °C плёнки Ba0.2Sr0.8TiO3 были структурно совершенны и обладали кристаллографической ориентацией (100), аналогичной ориентации подложек. Причем в плёнках толщиной 1.0 мкм и более наблюдалось уширение рефлексов, что свидетельствует о снижении ориентирующего влияния подложки и структурного совершенства плёнок.
Из анализа рентгенограмм построена зависимость интенсивности рентгеновских отражений, и на рис. 2 представлено преимущественное направление кристаллографической ориентации поверхности плёнок Ba0 2S^ 8TÍO3 выращенных в интервале температур 550-850 °C.
© Афанасьев М. С., Митягин А. Ю., Чучева Г. В., 2Q13
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2013. Т. 13, вып. 1
=í
и
X
-
о
н
сл
—
о fw сл CQ
UhJLj/
с=0.4095 нм
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
2 в, град
Рис. 1. Рентгенограммы плёнок Ba0 2Sr0 8ТіОз на Si подложке. Толщина плёнки: а - 0.5 мкм, б - 1.0 мкм
Рис. 2. Направление кристаллографической ориентации поверхности плёнок BaQ 2Sr0 8ТЮз , выращенных в интервале температур 550-850 °С
Морфология плёнок, выращенных за границами диапазона температур 710-730 °C, представляет собой текстурированные поликристаллы, размер зерна в которых уменьшается, как при увеличении температуры подложки выше 730 °C, так и при снижении её ниже 710 °C. При этом преимущественная кристаллографическая ориентация (110) и (111) поликристаллов увеличивалась соответственно с понижением и повышением температуры подложки.
При температурах ниже 500 °С выращенные плёнки были аморфны, а при температурах выше 850 °С плёнки химически взаимодействовали с материалом подложки.
Рентгенограммы, приведённые на рис. 1, показали наличие фазы оксида кремния, которая локализована на границе раздела фаз Ba0 2S^ 8TiÜ3/Si. Образование оксида кремния вызвано окислением поверхности кремния в кислородной плазме
при формировании стехиометрических плёнок
Ba0.2Sr0.8TiO3-
По топологии МСЭП-структуры с электродами представляют собой конденсаторные элементы. На установках MDC-802 и [4] для определения электрофизических параметров МДП-структур при напряжении смещения на электродах ±50 В были измерены при комнатной температуре воль-тфарадные характеристики конденсаторных элементов, изготовленных на кремнии с различным типом проводимости (рис. 3).
Вид вольтфарадных характеристик конденсаторных элементов, возможно, обусловлен накоплением заряда на границе раздела Bao 2§^ 8TÍO3/SÍ. Зеркальное отражение вольтфарадных характеристик свидетельствует об образовании на границе раздела в МСЭП-структуре практически одинаковых по величине, но противоположных по знаку зарядов.
8
Научный отдел
М. С. Афанасьев и др. Расчёт теплофизических параметров и технология
Напряжение смешения. В Напряжение смещения, В
а б
Рис. 3. Вольтфарадные характеристики конденсаторных элементов в МСЭП-структуре на кремниевой подложке:
а - п-типа; б - р-типа
Выводы
Исследованы режимы формирования на кремниевых подложках тонкоплёночных сегнето-электриков состава Bao 2Sro 8TÍO3 и установлено, что диапазон температур 710-730 °С является предпочтительным для формирования эпитаксиальных пленок Ba0 2Sr0 8TÍO3.
Созданы на основе гетероструктур металл-сегнетоэлектрик-кремний n- или р-типа электронно-управляемые конденсаторные элементы.
В конденсаторных элементах два состояния сегнетоэлектрической поляризации разной полярности позволяют использовать МСЭП-структуры для создания запоминающих устройств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 16.513.11.3072), РФФИ (проект № 12-07-00662-а), Программы фундаментальных исследований Президиума
РАН «Основы фундаментальных исследований
нанотехнологий и наноматериалов».
Список литературы
1. Ковтонюк Н. Ф. Электронные элементы на основе структур полупроводник-диэлектрик. М. : Энергия, 1976.
2. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / под ред. чл.-корр. РАН А. С. Сигова. М. : Энергоатомиздат, 2011. 175 с.
3. Афанасьев М. С., Иванов М. С. Особенности формирования тонких сегнетоэлектрических пленок ВахБг1 хТЮз на различных подложках методом высокочастотного распыления // ФТТ. 2009. Т. 51, № 7. С.1259-1262.
4. Гольдман Е. И., Ждан А. Г., Чучева Г. В. Определение коэффициентов ионного переноса в диэлектрических слоях на поверхности полупроводников по динамическим вольтамперным характеристикам деполяризации // ПТЭ. 1997. № 2. С.110-115.
УДК 537.9
РАСЧЁТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МПЛ СВЧ ДИАПАЗОНА
М. С. Афанасьев, С. А. Левашов, А. Ю. Митягин, Г. В. Чучева, А. Э. Набиев1
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук E-mail: [email protected]
Азербайджанский государственный педагогический университет E-mail: [email protected]
Проведен расчёт теплофизических параметров микрополосковой ность входного сигнала до 50 Вт на частоте 3 ГГц без ухудшения
линии передачи (МПЛ) СВЧ диапазона. Расчеты показали, что частотных характеристик МПЛ.
высокая теплопроводность алмаза позволяет осуществлять эф- Ключевые слова: микрополосковая линия передачи, СВЧ, тон-
фективный отвод тепла от активной зоны МПЛ, увеличивая мощ- кие плёнки, алмазная подложка.
© Афанасьев М. С., Левашов С. А., Митягин А. Ю., Чучева Г. В., Набиев А. Э., 2013
