WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 9 Вклад механических напряжений в самополяризацию тонких сегнетоэлектрических пленок © И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев, В.П. Афанасьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), 197376 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 14 февраля 2003 г.) Обсуждается вклад механических напряжений, возникающих за счет различия в температурных коэффициентах линейного расширения подложки и сегнетоэлектрической пленки, в величину самополяризации на примере тонких пленок цирконата-титаната свинца PbZrx Ti1-x O3 (PZT) разных составов. Согласно развиваемым представлениям, природа самополяризации связывается с внутренними поляризующими электрическими полями, вызванными различной плотностью заряда на поверхностных состояниях интерфейсов сегнетоэлектрического слоя, тогда как растягивающие или сжимающие механические напряжения способны лишь изменить ориентацию поляризации, что приводит к увеличению или уменьшению величины самополяризации. Рассматриваются проблемы повышения эффективности использования пленок PZT в приемниках ИК-излучения и устройствах памяти.

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 01-02-17-799) и грантом Министерства образования РФ (E02-3.4-89).

Полярное состояние, которое устанавливается в тон- Причины возникновения самополяризованного состокопленочном сегнетоэлектрическом конденсаторе без яния в тонких сегнетоэлектрических пленках связывают приложения внешнего поляризующего электрического с действием как электрических полей [4,6–28], так и меполя, обусловлено эффектом самополяризации [1–6]. Как ханических напряжений [2,3,14,29,30]. Впользу электриправило, такое состояние возникает в сегнетоэлектричеческой природы самополяризации свидетельствуют таской пленке при переходе в сегнетоэлектрическую фазу кие ее проявления, как асимметрия петель диэлектрив процессе охлаждения после формирования ее кристалческого гистерезиса и C-V -характеристик, размерный лической структуры при высокой температуре. Исследоэффект, а также изменение полярности или полное исвания показали, что величина самополяризации зависит чезновение самополяризации при высокотемпературном как от структуры [7–13], состава [7,9,14–16] и толщиотжиге и т. д. Ранее авторами была предложена электрины сегнетоэлектрической пленки [7], так и от матеческая модель, позволяющая объяснить свойства самориала электродов [7,17–19], воздействия электрических поляризованных пленок PbZrxTi1-xO3 (PZT). Согласно полей [4,6,9,20–22], механических напряжений [2,5,14], этой модели, необходимыми условиями возникновения оптического излучения [20], температуры термообрасамополяризованного состояния являются наличие своботки [4,6,7,11,12,23,24], состава атмосферы [8,16], в бодных носителей заряда и различная плотность локаликоторой формируется многослойная структура и т. д.

зованных зарядов на интерфейсах сегнетоэлектрической Интерес к самополяризованным пленкам носит пленки [10–12].

двойственный характер. С одной стороны, такие пленки Свойства самополяризованных пленок могут быть могут использоваться при изготовлении интегрированобъяснены и действием механических сил [2,3,14,29,30].

ных ИК-приемников высокого пространственного разреВ частности, авторы работ [2,3,14] считают, что сжишения, если их пироэлектрические параметры сопостамающие механические напряжения в пленках могут вимы с параметрами пленок, поляризованных при приприводить к изменению направления поляризации (от ее ложении внешнего электрического поля [7,14,15,25,26].

ориентации в плоскости подложки к ориентации, паралВ этом случае отпадает необходимость в процедуре поляризации, которая обычно осуществляется с по- лельной нормали к этой плоскости). Однако до сих пор мощью приложения сильных электрических полей при оценки вклада механических напряжений в эффект саповышенных температурах. мополяризации в литературе отсутствуют. В настоящей С другой стороны, самополяризация оказывается работе такие оценки проводятся для тонких пленок PZT.

нежелательным явлением при использовании пленок в устройствах, основанных на эффекте переключения по1. Модель механического вклада ляризации, например в устройствах памяти (FRAM), сов самополяризацию храняющих информацию при отключении питания. В таких устройствах асимметрия диэлектрического гистеНа самополяризованное состояние в сегнетоэлектрирезиса приводит к проблеме надежного считывания информации, т. е. к невозможности отличить одно логи- ческой пленке могут оказывать влияние по крайней ческое состояние от другого [3,8,16,20,21,27]. мере два вида механических напряжений разной при1686 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев, В.П. Афанасьев роды. Первый связан с рассогласованием параметров кристаллических решеток нижнего электрода и подложки с сегнетоэлектрической пленкой, второй — с различными температурными коэффициентами линейного расширения подложки и сегнетоэлектрического слоя.

В рассматриваемой модели будем исходить из того, что поликристаллическая пленка PZT характеризуется столбчатой структурой с поперечным размером зерна не более 100 nm, что позволяет пренебречь напряжениями, связанными с рассогласованием решеток [12].

Модель предполагает, что в процессе осаждения сегнетоэлектрическая пленка кристаллизуется в фазе перовскита. При этом естественно полагать, что формирующаяся пленка находится в ненапряженном состоянии.

В ходе охлаждения она подвергается механическому сжатию или растяжению со стороны подложки (в зависимости от соотношения температурных коэффициентов линейного расширения пленки и подложки). АнаРис. 1. Расчетная диаграмма изменения самополяризованного логично [3] будем считать, что сегнетоэлектрическая состояния (в относительных единицах) под действием сил пленка жестко связана с подложкой, а деформации и сжатия и растяжения для 100 -ориентированных пленок PZT, механические напряжения в ней однородны. Модель не составы которых соответствуют тетрагональной (a) и ромбоэдрической (b) фазам.

учитывает механического влияния нижнего электрода на формирование самополяризованного состояния, так как в случае использования сегнетоэлектрических пленок толщиной 1 µm и более нижний электрод, толщина котоНа рис. 1-3 представлены диаграммы, отражающие рого менее 100 nm, практически не влияет на величину воздействие механического сжатия или растяжения на механических напряжений, создаваемых в пленке PZT ориентацию спонтанной поляризации Ps в сегнетоподложкой.

электрическом слое в зависимости от текстуры роста При воздействии механических напряжений доменслоя и симметрии сегнетоэлектрической фазы пленая структура сегнетоэлектрических пленок будет перенок PZT разных составов. Видно, что в 100 -текстуристраиваться таким образом, чтобы минимизировать сворованных пленках тетрагональной симметрии переклюбодную энергию системы. Поэтому в случае сжимающих чение поляризации может происходить при переходе от механических напряжений ориентация полярной оси с растягивающих к сжимающим механическим напряжеучетом разрешенных кристаллографических направлениям (рис. 1, a). При этом самополяризация изменяется ний будет занимать положения, максимально близкие к от нуля до максимально возможной величины, равной нормали к подложке. Напротив, в случае растягиваюспонтанной поляризации. В ромбоэдрических пленках щих напряжений полярная ось будет ориентироваться механические напряжения не приводят к переориентамаксимально близко к плоскости подложки. Предпоции поляризации (рис. 1, b).

лагается также, что поляризация в кристаллической Несколько иная ситуация складывается в 110 -ориенрешетке направлена вдоль оси ячейки, по которой тированных пленках (рис. 2), для которых как в тетрагопроисходит ее удлинение. Вместе с тем механические нальной, так и ромбоэдрической модификации наблюданапряжения способны ориентировать направление поляется скачок поляризации, подобный скачку, изображенризации только с точностью до 180 доменов. Поэтому ному на рис. 1, a. Однако для пленок с 110 -текстурой образование макроскопической поляризации возможно величина самополяризации при действии сжимающего лишь под действием электрического поля. Величина напряжения оказывается меньше.

этого поляризующего поля может быть относительно Наконец, в 111 -ориентированных тетрагональных низкой, так как речь идет о переключении 180, а пленках механические напряжения не влияют на величине 90 доменов. Таким образом, при рассмотрении вкла- ну поляризованного состояния (рис. 3, a), достигающего да механических напряжений в самополяризацию будем величины P = 0.59Ps. При переходе от сжимающих к считать, что образование макроскопического полярного растягивающим механическим напряжениям в ромбосостояния происходит в электрическом поле, которое эдрических пленках поляризация (P = Ps) испытывает переориентирует все 180 домены по направлению поля.

скачок, но не до нуля, как в двух предыдущих случаях, а Следует отметить, что при переходе через температуру до величины P = 0.33Ps.

Кюри в сегнетоэлектрическую фазу, где переориентация Для оценки знака и величины изменения механиполяризации может происходить при относительно сла- ческих напряжений, возникающих в тонких слоях PZT в бых электрических и механических полях, в основном и процессе охлаждения перовскитовой структуры, мы исформируется самополяризованное состояние. пользовали данные по линейному расширению твердых Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Вклад механических напряжений в самополяризацию тонких сегнетоэлектрических пленок Как следует из рис. 1-4, самополяризованное состояние в пленках PZT сильно зависит от их текстуры роста. Хорошо видно, что для пленок тетрагональных твердых растворов по мере приближения к титанату свинца наблюдается рост сжимающих напряжений. Это связано с сильным положительным электрострикционным эффектом и отрицательной величиной l у титаната свинца и близких по составу твердых растворов ниже температуры Кюри. Однако с ростом концентрации Zr сжимающие напряжения сменяются растягивающими, поскольку l становится положительным и растет по величине. Из диаграммы напряжений (рис. 4) следует, что в пленках тетрагональной симметрии с ростом Zr должны происходить изменения самополяризованного состояния, отображенные на рис. 1, a; 2, a и 3, a, поскольку сжатие сменяется растяжением. Для пленок ромбоэдрических составов, которые подвергаются растягивающим напряжениям, состояние самополяризаРис. 2. Расчетная диаграмма изменения самополяризованного ции отражают правые части диаграмм рис. 1, b; 2, b состояния (в относительных единицах) под действием сил и 3, b.

сжатия и растяжения для 110 -ориентированных пленок PZT, Особый интерес представляет анализ влияния месоставы которых соответствуют тетрагональной (a) и ромбоханических полей на самополяризацию пленок PZT, эдрической (b) фазам.

состав которых соответствует области морфотропной фазовой границы (МРВ), разделяющей тетрагональную и ромбоэдрическую фазы [31,32]. На рис. 5 приведены диаграммы изменения самополяризованного состояния в области МРВ для пленок с разной ростовой текстурой, построенные на основе диаграмм напряжений (рис. 1-3), а также рис. 4. Хорошо видно, что поведение самополяризации сильно различается в пленках с разной ориентацией. В частности, в 111 -ориентированных пленках с ростом содержания Zr наблюдается уменьшение самополяризации примерно в 1.8 раза (рис. 5, c).

Рис. 3. Расчетная диаграмма изменения самополяризованного состояния (в относительных единицах) под действием сил сжатия и растяжения для 111 -ориентированных пленок PZT, составы которых соответствуют тетрагональной (a) и ромбоэдрической (b) фазам.

растворов при различных соотношениях Zr/Ti [31]. В качестве материала подложки рассматривался монокристаллический кремний с температурным коэффициентом линейного расширения l = 2.8 · 10-6 K-1. Результаты расчета механических напряжений в системе кремниевая Рис. 4. Расчетные температурные зависимости изменения подложка-тонкая пленка PZT представлены на рис. 4.

механических напряжений (в относительных единицах) в пленРасчет выполнялся в предположении, что осаждение сегках PZT с разным соотношением x = Zr/(Zr + Ti) в системе нетоэлектрического слоя проводилось при температуре кремниевая подложка-пленка PZT. Отрицательные значения подложки 580C. напряжений соответствуют сжатию пленок.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 1688 И.П. Пронин, Е.Ю. Каптелов, А.В. Гольцев, В.П. Афанасьев жает падать при переходе в ромбоэдрическую фазу. Для объяснения этой кривой необходимо учесть электрический вклад в самополяризацию. Согласно [7,9–13], самополяризованное состояние в тонкой пленке возникает под действием электрического поля, которое создает объемный заряд, локализованный на интерфейсе нижний электрод-сегнетоэлектрик. Воздействие поля при охлаждении пленки ниже температуры Кюри приводит к образованию полярного состояния в приграничной области пленки. Если электрическое поле достаточно сильное, а пленка тонкая, то весь ее объем может быть поляризован.

Проникновение электрического поля в сегнетоэлектрик можно оценить, используя математический аппарат для оценки зоны обеднения в примесном полупроводнике на контакте металл-полупроводник [33]:

(y) =0 exp(-y/lD), (1) 1/где lD = kBT /4ne2 — длина дебаевского экранирования, — диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического слоя, T — температура, n — концентрация носителей заряда в сегнетоэлектрике, kB — постоянная Больцмана, 0 — потенциал на интерфейсе (при y = 0), (y) — распределение потенциала.

Рис. 5. Расчетная диаграмма изменения самополяризованного Продифференцировав выражение (1) по координате y, состояния (в относительных единицах) в области морфотропполучим ной фазовой границы для ориентированных по направлениям 100 (a), 110 (b) и 111 (c) тонких пленок PZT в условиях E(y) =(0/lD) exp(-y/lD) =(A/1/2) exp(-y/lD), (2) растяжения в системе кремниевая подложка-пленка PZT.

где E(y) — распределение электрического поля в сегнетоэлектрике, E0 = A/1/2 — поле на границе раздела.

Оценка длины экранирования, полученная при темпера2. Сравнение модельного турах, близких к сегнетоэлектрическому фазовому переи экспериментального поведения ходу (T = 600 K, = 1000, n = 1017 cm-3), дает величисамополяризации ну lD, равную 0.17 µm. Если считать, что величина поверхностного потенциала равна 0.01 V, то электрическое В настоящее время известны две экспериментальные поле на самом интерфейсе составит примерно 0.6 kV/cm.

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.