WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Сегнетоэлектрический полевой транзистор на основе гетероструктуры Pb(ZrxTi1-x)O3 / SnO2 ¶ © И.Е. Титков, И.П. Пронин, Д.В. Машовец, Л.А. Делимова, И.А. Линийчук, И.В. Грехов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 декабря 2004 г. Принята к печати 29 декабря 2004 г.) Исследована возможность создания сегнетоэлектрического полевого транзистора на основе гетеропары Pb(Zrx Ti1-x )O3/SnO2 (PZT / SnO2). В качестве канала полевого транзистора использовались легированные сурьмой эпитаксиальные пленки SnO2 / Al2O3, напыленные YAG-лазером из металлической мишени.

Наибольшая подвижность электронов в пленках составляла 25 см2/(В · c) при концентрации 8 · 1019 см-3.

Продемонстрирована возможность прямого роста пленок PZT на SnO2 методами магнетронного и лазерного напыления. Оба этих метода были использованы для изготовления конденсаторных структур Au / PZT / SnO2.

При размере верхнего электрода 250 250 мкм емкости конденсаторных ячеек составили 1000 пФ при предельном напряжении 10 В, наибольшая остаточная поляризация — 16 мкКл / см2. Получена транзисторная структура Au / PZT / SnO2 / Al2O3 с модуляцией проводимости 94%. Разница токов в канале при отрицательной и положительной остаточных поляризациях подзатворного сегнетоэлектрика составила 37%.

1. Введение прямого роста сегнетоэлектрика PZT на SnO2 [11] такая структура представляется нам достаточно перспективСегнетоэлектрическая память (FeRAM) на основе ной. Еще одно существенное преимущество гетерострукодиночного сегнетоэлектрического полевого транзистотуры PZT / SnO2 / Al2O3 — возможность ее использовара (FFET) в принципе должна иметь определенные ния в логических и запоминающих устройствах жидпреимущества перед другими видами памяти вследкокристаллических дисплеев и транзисторов благодаря ствие энергонезависимости, низкого энергопотребления, высокой прозрачности (около 86%) во всем видимом неразрушающего считывания информации и малого вредиапазоне электромагнитного излучения [11].

мени доступа к ячейке [1–4]. В литературе также Похожие конструкции FFET изучались ранее в рабоописано много разработок реальных схемотехнических тах [12,13], однако при выращивании SnO2 на пленке решений для систем памяти на основе FFET [5].

PZT авторам не удавалось достичь подвижности элекСоздать FFET простой заменой подзатворного изолятронов в канале выше 8 см2/(В · c).

тора в кремниевом транзисторе MOSFET предлагалось Как было показано в работах [10,14,15], подвижность в работе Накамура и др. еще в 1995 году [2]. Однако в напыленных лазером монокристаллических пленках надежного и отвечающего современным требованиям SnO2 может достигать 37-40 см2/(В · c) при уровне прибора до сих пор не создано из-за трудностей с легирования более 1019 см-3. В поликристаллических прямым ростом сегнетоэлектрических пленок на кремпленках такое значение достигается в том случае, если ниевой подложке [2,3]. Использование же буферного уровень химического потенциала ниже потенциала на слоя между кремнием и сегнетоэлектриком приводит к заряженных гранях кристаллитов. Для SnO2 : Sb это существенному ухудшению рабочих параметров транзиусловие достигается при концентрации сурьмы менее стора и усложнению технологического процесса.

1018 см-3, но в этом случае канал полевого транзистора Другой подход к решению проблемы — создание оказывается слишком высокоомным. Кроме того, прополевого транзистора на базе материалов со структурой водимость таких пленок имеет сильную температурную перовскита — в том же 1995 году предложил Ватазависимость и газочувствительность [14]. Принс с соавт.

набэ [6]. В своих работах [7,8] мы показали возможность в работе [12] приводят расчетный диапазон оптимальсоздания такого прибора на основе перовскитоподобной ных параметров канала, обеспечивающих наилучшую гетероструктуры PZT / Lax Sr1-xCuO4 / NdGaO3 (PZT — работу транзистора. В этот диапазон попадают испольPb(ZrxTi1-x)O3), однако ее существенным недостатком зуемые нами толщина (20 нм) и уровень легирования является низкая подвижность носителей заряда — ме(1019 см-3).

нее 1 см2/(В · c) при комнатной температуре в канале LaxSr1-xCuO4, что накладывает принципиальное ограничение на быстродействие транзистора.

2. Изготовление эпитаксиальных В данной работе мы исследовали возможность создапленок SnO2 : Sb ния FFET на основе гетероструктуры PZT / SnO2 / Al2O3.

Благодаря высоким значениям подвижности электронов Чтобы получить высокую подвижность электронов, в эпитаксиальных пленках SnO2 / Al2O3, полученных пленки SnO2 : Sb напылялись на оптически полирометодом лазерного напыления [9,10], и возможности ванную поверхность монокристаллической подложки ¶ E-mail: ITitkov@mail.ioffe.ru -Al2O3 при температуре 670C в атмосфере кислорода Сегнетоэлектрический полевой транзистор на основе гетероструктуры Pb(ZrxTi1-x)O3 / SnO2 Пленки, полученные лазерным распылением керамической мишени на подложку r-среза, имели ярко выраженную текстуру (101), но в отличие от описанных в работе [10] были поликристаллическими (рис. 1, a; 2, a).

Из рис. 1, a можно оценить средний поперечный размер кристаллитов SnO2 как 400 нм. Холловская подвижность электронов при комнатной температуре в пленках SnOв лучшем случае достигала 5 см2/(В · c). Конденсаторные ячейки на этих пленках Au / PZT / SnO2 имели низкие напряжения пробоя (менее 1 В) или короткое замыкание. Очевидно, что это было связано с большой плотностью сквозных дефектов в сегнетоэлектрической пленке. Учитывая примерное равенство коэффициентов температурного расширения данного состава PZT и SnO2, можно предположить, что причиной высокой дефектности пленок PZT являлась крупнозернистая поверхность SnO2.

Рис. 1. AFM-изображения (при сканировании в полуконтактной моде) рельефа поверхностей пленок SnO2, напыленных лазером: a — из керамической мишени (толщина пленки 40 нм, цена деления: x, y — 100 нм, z —5 нм); b — из металлической мишени (толщина пленки 30 нм, цена деления: x, y — 100 нм, z —10 нм).

при давлении 0.15 Торр. Сапфировые подложки были двух типов: c-срез — (0001) и r-срез — (1012). Для синхронного распыления двух вращающихся керамических (SnO2 + Sb2O3) или металлических (Sn : Sb) мишеней использовались два YAG-лазера1 ( = 1064 нм), работающих в режиме модулированной добротности.

Энергия в импульсе составляла 200 мДж, длительность импульса 15 нс, частота повторения 25 Гц, расстояние от мишени до подложки 35 мм. При использовании керамической мишени приходилось дополнительно применять Рис. 2. XRD (CuK) спектры структур PZT / SnO2 / Al2O3:

специальный экран, препятствующий прямому попадаa — пленка SnO2 толщиной 40 нм, напылена лазером из нию твердых (размером порядка нескольких микромет керамической мишени на подложку Al2O3 (1012). Пленка PZT ров) частиц мишени, однако вследствие этого скорость (PbZr0.52Ti0.48O3) толщиной 210 нм, напылена при T = 375C;

роста снижалась примерно в 2 раза. Без применения b — пленка SnO2 толщиной 30 нм, напылена лазером из экрана пленка SnO2 растет со скоростью 70 / мин.

металлической мишени на подложку Al2O3 (0001). Пленка PZT толщиной 250 нм, напылена из мишени Pb0.95La0.05Zr0.2Ti0.8OЗа счет синхронного распыления мишеней двумя скрещенными лазером при T = 670C. На вставке — кривая качания для лучами возникает вертикально направленный поток плазмы с более пленки SnO2, измеренная возле угла брэгговского отражения низкой концентрацией крупных частиц. Такой метод существенно улучшает морфологию поверхности напыляемой пленки. от плоскости (002).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 892 И.Е. Титков, И.П. Пронин, Д.В. Машовец, Л.А. Делимова, И.А. Линийчук, И.В. Грехов Из рентгенодифракционных (XRD) спектров на рис. 2, a и b видно, что на пленках SnO2, ориентированных в плоскости (001), PZT растет преимущественно как текстура в направлении [111], а на SnO2(101) —в направлении [101].

С помощью рентгеноструктурного микроанализа на установке „Cameca“ было установлено, что состав пленок достаточно однороден по площади, но не всегда соответствует стехиометрическому. При использовании мишеней без избытка свинца в готовых пленках наблюдается его дефицит, что обычно препятствует образованию фазы перовскита.

Рис. 3. Ток в канале сегнетоэлектрического полевого тран3.2. Магнетронное распыление зистора в зависимости от напряжения на затворе (1) и вольт-амперная характеристика затвора (2). Сопротивление Пленки PbZr0.54Ti0.46O3, легированные Nb (3%), осаканала — 440 кОм.

ждались при температуре подложки 130C. Отжиг производился при 570Cв течение 3 ч (нагрев со скоростью 300C / ч, остывание — 12 ч, с печью).

Рентгенодифракционные спектры показали, что пленПленки, полученные распылением металлических мика PZT — поликристаллическая, так как присутствуют шеней Sn : Sb на подложку c-среза, были в основном рефлексы от всех кристаллографических плоскостей.

монокристаллические и имели более мелкий рельеф Имеет место слабо выраженная текстура (111).

поверхности, чем полученные распылением керамической мишени (рис. 1, b; 2, b). Кривая качания на вставке рис. 2, b свидетельствует о преобладании монокристал4. Гетероструктуры Au / PZT / SnO2 / Al2Oлической фазы наряду с текстурой (001). При толщинах более 60 нм появлялась поликристаллическая фаза и С целью отработки оптимального режима напыления дифракционный максимум от плоскости (101), что подпленок PZT и для экспресс-диагностики их электричетверждает экспериментальные данные [9], где приведено ских свойств изоготавливались конденсаторные структакже физическое обоснование этого эффекта.

туры Au / PZT / SnO2 / Al2O3. Контакты изготавливались Условия напыления — такие, как давление кислорода методом термического распыления золота на холодную в рабочем объеме и расстояние от мишени до под- подложку с использованием кремниевых масок. Плоложки, — оптимизировались экспериментально с целью щадь верхнего электрода была 250 250 мкм2; нижний исключить присутствие неокисленной металлической общий контакт к пленке SnO2 : Sb был омическим вследфазы олова в пленке.

ствие достаточно высокого уровня ее легирования.

Холловская подвижность при комнатной температуре достигла 25 см2/(В · c). Конденсаторные ячейки на этих пленках Au / PZT / SnO2 с площадью верхнего электрода 250 250 мкм2 имели воспроизводимые диодные вольтамперные характеристики (ВАХ) с напряжением пробоя в прямом и обратном направлении не менее 2 В. ВАХ на рис. 3 является характерной для толстых (250-300 нм) пленок PZT.

3. Изготовление пленок PZT 3.1. Лазерное распыление Пленки Pb(Zrx Ti1-x)O3 напылялись in situ из керамических мишеней двух составов Zr / Ti = 20 / 80 и 52 / 48 с избыточным содержанием свинца. Режим работы лазеров использовался такой же, как и для пленок SnO2. Напыление проводилось в разреженной атмосфере Рис. 4. Модельная структура сегнетоэлектрического полевого кислорода (0.15 Торр) при температурах подложки от транзистора. Толщина канала — 20 нм, толщина сегнетоэлек375 до 670C. Охлаждение образцов происходило вместе трика — 300 нм, подзатворная область — 230 320 мкм2.

с печью в кислороде при атмосферном давлении. g —затвор.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Сегнетоэлектрический полевой транзистор на основе гетероструктуры Pb(ZrxTi1-x)O3 / SnO2 Была изготовлена также модельная транзисторная Для транзисторной структуры были измерены модуструктура (рис. 4). По сравнению со структурами, ляции тока канала, вольт-амперные характеристики и исследованными в работах [12,13], она обладает тем петли гистрезиса затвора P(Vgate), где P — поляризация отличием, что канал SnO2 : Sb выращен на монокри- сегнетоэлектрика. Петли сегнетоэлектрического гистесталлической подложке -Al2O3, поэтому подвижность резиса (рис. 5) измерялись методом Сойера–Тауэра на электронов в канале может достигать высоких для частоте 100 Гц.

этого материала значений 40 см2/(В · c) [9–15] даже При концентрации доноров 4 · 1019 см-3 наибольшая при высокой ( 1019 см-3) концентрации легирующей модуляция проводимости канала составила 94% (рис. 3).

примеси. Разница тока канала при отрицательной и положительной остаточных поляризациях подзатворного сегнетоэлектрика 37%. Гистерезисные петли затвора 5. Экспериментальные результаты P(Vgate) были аналогичны петлям конденсаторных ячеек и их обсуждение (рис. 5, b).

Отметим, что, судя по „диодному“ характеру вольтПри исследовании напыленной лазером структуры амперной характеристики, пленка PZT ведет себя как Au/PZT/SnO2/Al2O3, где PZT — Pb0.95La0.05Zr0.2Ti0.8O3, полупроводник p-типа, что обычно обусловлено присутнаибольшие измеренные емкости конденсаторных ячеек ствием вакансий Pb.

составляли 1000 пФ при предельном напряжении ±10 В, остаточная поляризация 10 мкКл / см2, диэлектрическая 6. Заключение проницаемость PZT = 450.

Показана возможность создания сегнетоэлектрического полевого транзистора на основе гетеропары PZT / SnO2.

Наиболее качественные монокристаллические пленки SnO2 получались при напылении лазером из металлической мишени на сапфировую подложку c-среза при температуре 670C. Подвижность в таких пленках достигает 25 см2/(В · c) при концентрации 8 · 1019 см-3, а гетероструктуры Au / PZT / SnO2 показывают хорошо воспроизводимые вольт-амперные характеристки с напряжением пробоя не менее 2 В.

Была также изучена возможность прямого роста пленок PZT / SnO2 со структурой перовскита методами магнетронного и лазерного напыления. При лазерном напылении на пленке SnO2(001) пленка PZT растет преимущественно по направлению [111], а на SnO2(101) — по направлению [101].

Была изготовлена модель сегнетоэлектрического полевого транзистора Au / PZT / SnO2 / Al2O3 с модуляцией проводимости канала 94%. Разница токов в канале при отрицательной и положительной остаточных поляризациях подзатворного сегнетоэлектрика составила 37%.

Также, следует отметить, что в нашем эксперименте модуляционная петля имеет ход, противоположный представленному в работе Принца [13], т. е. при возрастании напряжения на затворе Vgate значения тока в канале выше, чем при спаде (так называемый аномальный гистерезис). Причины такого поведения модуляционной кривой могут быть объяснены действием полей миграционных зарядов в сегнетоэлектрике, приводящим к медленному (от нескольких секунд до десятков минут) изменению зарядового состояния гетерограницы SnO2/PZT Рис. 5. Петли сегнетоэлектрического гистерезиса конденво внешнем электрическом поле. В работе [16] также саторной ячейки Au / PZT / SnO2 / Al2O3, измеренные методом наблюдалось изменение нормального гистерезиса C-V Сойера–Тауэра. a — пленка PbZr0.54Ti0.46O3 : Nb толщиной характеристики на аномальный при изменении скорости 300 нм, напылена магнетроном и отжигалась при T = 570C;

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.