WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 4 Самополяризация и миграционная поляризация в тонких пленках цирконата-титаната свинца © И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, Т.А. Шаплыгина, В.П. Афанасьев, А.В. Панкрашкин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197376 Санкт-Петербург, Россия E-mail: pronin@inprof.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 5 июля 2001 г.) Исследовались особенности электрических свойств текстурированных сегнетоэлектрических пленок ЦТС толщиной 0.7-1 µm, полученных ВЧ-магнетронным распылением мишени состава PbZr0.54Ti0.46O3, содержащей дополнительно 10 mol.% оксида свинца. Показано, что такие пленки характеризовались сочетанием самополяризованного состояния и миграционной поляризации. Совокупность полученных результатов позволяет считать, что пленки обладали n-типом проводимости. С помощью метода модуляции лазерного излучения обнаружено, что распределение поляризации по толщине пленки носило неоднородный характер, причем основная часть полярного состояния была локализована вблизи нижнего интерфейса тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора. Механизм появления самополяризации связывается с зарядкой нижнего интерфейса структуры электронами в процессе охлаждения после высокотемпературной термообработки пленки ЦТС и с поляризацией этими зарядами объема пленки. Предполагается, что такой механизм самополяризации сегнетоэлектрических пленок носит универсальный характер.

Работа поддержана грантом Министерства образования РФ № EOO-3.4-350.

Поляризованные сегнетоэлектрические пленки сви- полем. Присутствие встроенного поля, способного запонецсодержащих оксидов, в частности цирконата-титаната ляризовать сегнетоэлектрическую пленку, может быть свинца PbZr1-xTix O3 (ЦТС), широко используются для обусловлено либо захватом электронов на ловушках создания активных элементов в устройствах микромеха- интерфейсов, либо наличием дипольных дефектов, либо ники, пьезо- и пироэлектрических сенсоров различного асимметричным распределением слабо подвижных (свяназначения [1–4]. Эффективность тонких сегнетоэлек- занных) заряженных дефектов [15–17]. В[12] в качестве трических пленок в таких устройствах определяется ря- физической причины появления поляризующего поля дом факторов, среди которых существенную роль играют рассматривается барьер Шоттки, возникающий на нижстепень поляризованности пленок и условия формиро- нем интерфейсе тонкопленочного сегнетоэлектрическования сегнетоэлектрической фазы. В частности, могут го конденсатора. С другой стороны, сильное встроенное быть изготовлены пленки, которые оказываются поля- поле наблюдалось в пленке ЦТС после реактивного ризованными (самополяризованными) непосредственно ионного травления верхнего платинового электрода в после получения, без приложения к ним внешнего поля- атмосфере SF6 и O2 [18].

ризующего электрического поля [5–8]. Это исключает В настоящей работе с целью выявления механизмов, трудоемкую операцию по их поляризации.

приводящих к самополяризованному состоянию, нами Известно, что пироэлектрические коэффициенты та- исследовались особенности электрических свойств тонких самополяризованных пленок могут достигать значе- ких пленок ЦТС, содержащих избыточное количество ний, характерных для пленок, поляризованных приложе- свинца.

нием внешнего поля. Подобная ситуация наблюдается в тетрагональных пленках ЦТС (x > 0.5) [9–12]. В то же 1. Технология получения пленок ЦТС время самополяризация в ромбоэдрических пленках этих твердых растворов оказывается затрудненной [3,10–12].

и методы их исследования В [13,14] подчеркивается роль либо избытка свинца (сверх его стехиометрического количества в составе Для осаждения тонких пленок использовался пленки), либо его недостатка в появлении поляризован- метод высокочастотного магнетронного распыления ного состояния. С изменением содержания свинца напра- мишени PbZr0.54Ti0.46O3, содержащей дополнительно вление макроскопической поляризации в сегнетоэлект- 10 mol.% оксида свинца [19]. Пленки осаждались на рическом слое может меняться на противопложное [13].

”холодные” подложки при температуре около 130C.

Механизм возникновения самополяризованного со- В качестве подложек использовались пластины ситалла стояния в тонких пленках до конца не ясен. Так, в [10] и монокристаллического кремния с нанесенным на них предполагается, что имеется тесная связь между самопо- нижним тонкопленочным электродом, материалом для ляризованным состоянием и встроенным электрическим которого служила платина с адгезионным титановым 11 740 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, Т.А. Шаплыгина, В.П. Афанасьев, А.В. Панкрашкин подслоем. Толщина осажденных слоев составляла 0.7-1 µm. Кристаллизация аморфных пленок ЦТС в фазу перовскита проводилась при температурах 520-550C на воздухе. В качестве верхнего электрода, диаметр которого изменялся от 130 до 300 µm, также использовалась пленка платины.

Кристаллическая структура пленок исследовалась методом рентгенодифракционного анализа (ДРОН-2). Распределение элементного состава по толщине изучалось методом Оже-спектроскопии (ЭКО-3). Петли диэлектрического гистерезиса снимались с помощью модифицированной схемы Сойера–Тауэра. Токи деполяризации в образцах измерялись с помощью вольтметра-электРис. 2. Профили распределения элементов по толщине пленрометра В7-30. Исследование распределения поляки ЦТС, полученной распылением мишени с избытком свинца ризации по толщине пленки проводилось путем изPbZr0.54Ti0.46O3 + 10 mol.% PbO и подвергнутой термообработмерения частотно-зависимого пироэлектрического токе на воздухе при температуре 550C.

ка с помощью метода модуляции лазерного излучения (LIMM) [20–23].

электронной Оже-спектроскопии в результате послой2. Кристаллическая структура ного ионного травления сегнетоэлектрической пленки и элементный состав пленок ЦТС (рис. 2). Отчетливо видно, что относительное увеличение содержания свинца имеет место как на верхнем, Рентгеноструктурный анализ показал, что исследуе- так и на нижнем интерфейсах пленки ЦТС. Анализ помые пленки имеют поликристаллическую перовскито- лученных данных с учетом приведенных в [13,14,24–26] вую структуру с преимущественной ориентацией крис- результатов позволяет считать, что избыточный свинец таллитов в направлении [111] (рис. 1). В пределах чув- находится в виде отдельной фазы оксида свинца (PbO).

ствительности этого метода можно было полагать, что пленки обладали фазовой однородностью. Однако, со3. Исследование петель гистерезиса гласно данным микроструктурного анализа [23], на верхи токов деполяризации нем и нижнем интерфейсах пленки, а также на границах кристаллитов, размер которых составлял 20-50 nm, На рис. 3, a представлена характерная асимметричная наблюдались включения инородной свинецсодержащей петля гистерезиса для пленок ЦТС, содержащих избыфазы с повышенной концентрацией свинца. Избыточная точное количество оксида свинца, снятая при прилоконцентрация свинца наблюдалась и на профилях расжении к пленке небольшого переменного напряжения пределения элементов по толщине, полученных методом после формирования перовскитовой фазы в результате термообработки. По сдвигу петли вдоль оси абсцисс можно судить о существовании в пленке достаточно большого встроенного электрического поля, величина которого составляет 30-40 kV/cm. После приложения к образцу последовательно положительного (рис. 3, b), а затем отрицательного (рис. 3, c) постоянного напряжения амплитудой 15 V относительно нижнего электрода форма петель гистерезиса изменяется и зависит от полярности напряжения. Очевидно, что асимметрия представленных петель относительно оси ординат является следствием существования внутреннего поля, которое, как хорошо видно, совпадает с направлением электрического поля при подаче положительного потенциала на верхний платиновый электрод сегнетоэлектрического тонкопленочного конденсатора.

Отметим, что форма всех петель гистерезиса (рис. 3) Рис. 1. Рентгенограмма поликристаллической пленки ЦТС имеет асимметричный вид и напоминает петлю гистетолщиной 1 µm, осажденной на ситалловую подложку с пларезиса ”жесткой” поляризованной пьезокерамики, искатиновым электродом и адгезионным титановым подслоем жение которой связано с проявлением миграционной и отожженной на воздухе при температуре 520C в течеполяризации » - P2« [27,28]. Хорошо известно, что ние 10 min.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Самополяризация и миграционная поляризация в тонких пленках... состояния тонкой сегнетоэлектрической пленки дает ясное понимание того факта, что в ”статическом состоянии” реальное внутреннее поле в пленке отсутствует.

Таким образом, можно полагать, что существует самая тесная связь между самополяризацией и миграционной поляризацией. Приведенные далее результаты позволяют уточнить природу их появления.

Измерение токов деполяризации (кривая 1 на рис. 4) поляризованных образцов показало, что при быстром нагреве до температуры, близкой к температуре Кюри (кривая 2), на кривой тока наблюдались два участка, соответствующие различным направлением тока. Низкотемпературная часть кривой соответствует деполяризации спонтанно поляризованного состояния, а высокотемпературная часть представляет собой медленно падающую во времени кривую, отражающую релаксацию миграционной поляризации. Аналогичные зависимости наблюдались в объемных пьезокерамических образцах, характеризующихся сочетанием остаточной поляризации »Pr« и миграционной поляризации » - P2« [27].

Поскольку миграционная поляризация в сегнетоэлектрике связывается с движением зарядов, важным вопросом является определение типа носителей заряда в исследуемых пленках. Известно, что основными носителями заряда в ЦТС являются либо электроны (n-тип), появление которых обусловлено вакансиями по кислороду, либо дырки (p-тип), наличие которых обычно связывается с вакансиями по свинцу. Вакансии по свинцу возникают, как правило, в пленках, осаждаемых на подложку Рис. 3. Петли диэлектрического гистерезиса пленки ЦТС при высокой температуре либо кристаллизующихся при толщиной 1 µm. a — непосредственно после получения, высокой температуре, когда нехватка свинца вызвана b — после поляризации пленки напряжением +15 V, c —после высокой летучестью его оксида. Можно предположить, поляризации пленки напряжением -15 V в течение 10 min при комнатной температуре.

возникновение миграционной поляризации » - P2« обусловлено деполяризующим полем предварительно поляризованного образца и связано с движением зарядов внутри кристаллитов. Миграционная поляризация »-P2» направлена навстречу наведенной внешним электрическим полем поляризации » Pr« и может быть очень стабильной даже при приложении сильного переменного поля, способного переориентировать » Pr« [27].

Применяя подобный подход к пленкам ЦТС, можно сделать вывод о том, что измеряемое по петлям гистерезиса поле смещения есть не что иное, как поле миграционной поляризации, компенсирующее поляризованное (рис. 3, b, c) или самополяризованное состояние (рис. 3, a) в тонкой пленке. Это согласуется с описанным выше предположением, согласно которому смещение петли гистерезиса, связанное с наличием внутреннего встроенного поля, отражет существование в таких пленРис. 4. Ток деполяризации пленки, поляризованной прилоках самополяризованного состояния [9–11,14,19]. Разжением +15 V в течение 10 min при комнатной температуре, в ница заключается лишь в том, что использование миг- зависимости от времени (1) и при быстром нагревании образца рационной поляризации для описания поляризованного до температуры 250C (2).

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 742 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, Е.А. Тараканов, Т.А. Шаплыгина, В.П. Афанасьев, А.В. Панкрашкин поляризация обращается в нуль как на нижней, так и на верхней границе структуры. К обкладкам тонкопленочного сегнетоэлектрического конденсатора последовательно прикладывались нарастающее положительное напряжение, достигавшее +15 V, а затем отрицательное напряжение до -15 V. При каждом значении напряжения образец выдерживался в течение 0.5 h при комнатной температуре. Измерения проводились спустя 1 h после снятия поляризующего напряжения. Результаты расчета относительного изменения поляризации по толщине приведены на рис. 6.

Кривая 1 на рис. 6 представляет собой распределение самополяризованного состояния по толщине пленки. Судя по характеру кривой, самополяризация формируется за счет отрицательного заряда на нижнем интерфейсе структуры примерно в половине объема пленки. Определяющая роль нижнего интерфейса согласуется с предположениями работы [12], где это явление исследовалось путем измерения пьезодеформации тонких пленок ЦТС.

Рис. 5. Температурная зависимость проводимости G пленки, По мере приближения к верхнему интерфейсу структуры снятая на частоте 1 MHz.

кривая проходит через нуль, и в верхней части пленки наблюдается слабо поляризованное состояние противоположного знака.

что в этом случае петли гистерезиса пленок ЦТС сдвиИз рис. 6 видно, что степень заполяризованности гаются в сторону положительных напряжений по оси образца не высока и составляет 10-15% от величины абсцисс [3,4]. Напротив, свдиг петель в отрицательную поляризованного состояния, индуцированного приложесторону обычно объясняется n-типом проводимости пением к обкладкам конденсатора постоянного напряжеровскитовой пленки при осаждении в среде с низким ния 15 V (см. кривые 1 и 4). Сравнение кривых парциальным давлением кислорода [5,6].

и 4 показывает, что в пленке наблюдается сильная В нашем случае при распылении мишени с избытвременная релаксация полярного состояния: за время ком свинца на ”холодную” подложку и последующем порядка 105 s остаточная поляризация уменьшалась до формировании перовскитовой фазы в пленке появляются кислородные вакансии. Это может быть следствием окисления свинца до фазы -PbO, которая характеризуется избытком кислорода [29] за счет поглощения кислорода из перовскитовой фазы ЦТС [30]. Дополнительным подтверждением наличия кислородных вакансий может служить величина энергии активации, определенная из температурной зависимости проводимости G, измеренной при частоте 1 MHz (рис. 5). Энергия активации W, вычисленная из соотношения G = const · exp(-W/kT ), определялась по наклону кривой зависимости логарифма проводимости от обратной температуры при температурах выше 260C и была равна 0.22 eV (рис. 5).

Эта величина соответствует глубине залегания уровней, образованных кислородными вакансиями в запрещенной зоне перовскитовой структуры ЦТС и расположенных по данным [31] в пределах 0.19-0.48 eV.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.