WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 4 05;06;09 Исследование влияния примесей марганца на диэлектрические характеристики пленок BSTO © С.Ф. Карманенко,1 А.И. Дедык,1 Н.Н. Исаков,1 А.С. Гордейчук,1 2 А.А. Семенов,1 Л.Т. Тер-Мартиросян,1 J. Hagberg 1 Санкт-Петербургский государственный университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия 2 Microelectronics Laboratory, University of Oulu, Oulu, Finland (Поступило в Редакцию 29 июня 2000 г.) Проводилось сравнение вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик сегнетоэлектрических пленок BSTO, содержащих примесь диоксида марганца ( 1.5-2mol%), и беспримесных образцов. Показано, что в образцах, легированных Mn, tg уменьшался до 10-3, а также изменялся характер зависимости tg от приложенного напряжения. ВАХ таких образцов были строго омическими и при больших напряжениях не имели участков нелинейного возрастания тока. Предложена модель влияния Mn в пленках BSTO на зарядовое состояние дефектов, обусловленных кислородными вакансиями.

Исследования влияния различных примесей на снижение начальной емкости плоских конденсаторов [4], ВЧ–СВЧ диэлектрические характеристики пленок гистерезиса на ВФХ и tg.

BaxSr1-xTiO3 (BSTO) начали проводиться в 70-е Начальная емкость уменьшалась с увеличением прогоды [1] и продолжались в работах ряда организаций в центного содержания марганца от 5320 pF для нелегистране [2,3] и за рубежом [4,5]. В основном изучалось рованного образца до 1140 pF для образца с содержавлияние таких примесей, как Zr, Sn [2–5], Zn, Ca, нием Mn 0.1 mol.%. С увеличением процентного Mg [1,6]. В последние годы физико-технологические содержания марганца сильно снижается управляемость исследования сегнетоэлектрических пленок (СЭП) для K =(C(0)/C(500B)): от 19 для нелегированного образцелей радиоэлектроники возобновились. Например, в [7] ца до 4.2 для образца, содержащего 0.1 mol.% марганца изучалась BSTO керамика с добавками окиси магния, но (при T = 4.2K). Следует отметить практически полное заметного улучшения диэлектрических характеристик не отсутствие гистерезиса на зависимости C(U) для образудалось добиться. Снижение тангенса диэлектрических цов, легированных марганцем.

потерь (tg ) керамик менее 0.01 наблюдалось только при В работе [5] исследовалось влияние малых добавок значительных весовых добавках порошка оксида магния оксида или карбоната марганца на характеристики пле(до 50 mol.%). Однако в этом случае диэлектрическая нок BSTO, полученных в процессе лазерного распыпроницаемость сильно уменьшалась и управляемость ления керамической мишени. На пленках, содержащих СЭП конденсатора практически отсутствовала.

1% примеси марганца, удалось добиться очень высоких В работе [3] исследовались монокристаллы SrTiO3 характеристик. На структурах BSTO/LAO, измеренных (STO), выращенные в газоплазменном процессе, с раз- на частоте f = 10 GHz при T = 300 K, управляемость личными добавками двуокиси марганца ( 0.1mol.%) в составила 56% или 1.5-1.6. При этом начальная дишихту при плавлении. Для исходных беспримесных кри- электрическая проницаемость имела значение = сталлов было обнаружено, что после воздействия элек- и tg 0.006. Физические механизмы подобного трического поля до значения 105 V · m-1 и возврате эффекта в данной работе не обсуждаются.

СЭП-конденсатора в нулевое поле значение диэлектри- Процессы, приводящие к значительным изменениям ческой проницаемости SrTiO3 уменьшалось в 1.5–2 раза, диэлектрических характеристик сегнето-конденсаторов, т. е. наблюдался сильный гистерезис — = C0-C(0)/C0.

содержащих примесь марганца, связаны с компенсацией Гистерезис на вольт-фарадных характеристиках (ВФХ) положительно заряженных вакансий кислорода. Однако объяснялся появлением остаточного поля, обусловлен- вопросы о том, каково действие этого механизма и ного объемным зарядом, и связывался с дефицитом чем обусловлено существенное различие в концентракислорода [8,9].

циях Mn для монокристаллов и пленок, приводящих к Наряду с отклонениями катионного состава и дефор- заметным изменениям диэлектрических характеристик, остаются невыясненными.

мационными напряжениями [10] сильное влияние на характеристики СЭП оказывает состояние кислородной С целью изучения этих вопросов были проведены подрешетки. Вакансии кислорода в СЭП приводят к по- технологические процессы ионно-плазменного распылеявлению электропроводности (токам утечки), быстрому ния BSTO мишеней, содержащих 0, 1.0, 1.75, 2.0 wt% старению и увеличению диэлектрических потерь [11]. примеси MnO2 при отношении Ba/Sr 1, и выращивание В легированных марганцем кристаллах наблюдалось пленок. Состав и структура анализировались с помощью Исследование влияния примесей марганца на диэлектрические характеристики пленок BSTO Рис. 1. Вольт-фарадные характеристики и зависимости tg от приложенного напряжения, измеренные на планарных конденсаторах BSTO/-Al2O3: a — без примесей, b — содержащих 2 mol.% оксида марганца.

рентгеновской дифракции, метода рассеяния ионов сред- 0.1 µm/h. Для некоторых пленок применялся ”exних энергий (РИСЭ) [10] и метода комбинационного рас- situ” отжиг в кислороде при 900C (рис. 1, a). В сеяния света (КРС). На сегнето-пленках, выращенных на результате отжига существенно снижался tg — в 2.5– подложках LAO, сапфира и поликора, были изготовлены 3 раза, но уменьшалась управляемость (на 30–50%).

планарные конденсаторы с электродами из меди. Из- При напряжении более 100 V на планарных СЭП конмерение диэлектрических характеристик конденсаторов денсаторах значения tg становятся ниже 5 · 10-4.

проводилось на частоте 1 MHz. На рис. 1 приведены Гистерезисные эффекты на ВФХ образцов, прошедших сравнительные диэлектрические характеристики пленок отжиг, возрастают.

без примесей и с примесью Mn, выращенных на сап- В пленках BSTO, содержащих примесь марганца фире [1012]-. Технологический процесс проводился в (рис. 1, b), гистерезис становится более заметным (доследующем режиме: мишень BaxSr1-xTiO3 имела индекс стигает 5%); характер зависимости tg от напряжения x = 0.55, распыление выполнялось в среде кислорода, смещения сильно изменяется. В беспримесных пленках температура подложки 650C, скорость роста пленки не наблюдается снижения потерь в электрическом поЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. 138 С.Ф. Карманенко, А.И. Дедык, Н.Н. Исаков, А.С. Гордейчук, А.А. Семенов...

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики и зависимости tg от приложенного напряжения, измеренные на планарных конденсаторах BSTO/LAO: a — без примесей, b — содержащих 2 mol.% оксида марганца.

ле до 105 V/cm, а для некоторых образцов за резким близкой природы Ti (z = 22) иMn(z = 25). Применение снижением следует значительное возрастание tg при характеристического рентгеновского излучения позволя3 104 V/cm. На большинстве исследованных пленок, ет установить только следы присутствия марганца. По содержавших примесь марганца в количестве 1.5-2.0%, спетрам КРС не наблюдалось какого-либо различия плезначение tg на ВЧ было ниже 5 · 10-4. нок BSTO с одинаковым содержанием Ba/Sr, выращенных на различных подложках, и пленок, содержащих приДругое поведение демонстрируют пленки BSTO, вырамесь. Рентгено-структурный анализ СЭП, выращенных щенные на подложках LAO (рис. 2). Отжиг не оказывает на поликоре, позволил установить, что в образцах призаметного влияния на ВФХ и зависимость tg (T ), но сутствует фаза Ba0.5Sr0.5 (Mn0.33, Ti0.67)O3-2.84, близкая примесь марганца приводит к значительному снижению. Изменяется характер зависимости tg (U). Элек- по структуре к основной фазе BaSrTiO3, с параметром решетки 0.395 nm.

трическое смещение приводит к увеличению tg, что, вероятно, свидетельствует об отсутствии в этих образцах Таким образом, измерения и аналитические исслемеханизма потерь, обусловленного заряженными дефекдования показали, что ионы марганца могут частичтами [12].

но замещать позиции титана. Известно, что титан в Использование различных методов диагностики для соединении BaSrTiO3 имеет в основном валентность исследования пленок BSTO : Mn связано с большими за- (+4), но может проявлять и валентность (+3) [13].

труднениями в определении содержания Mn вследствие В пленках титаната бария образуется модифицированная Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Исследование влияния примесей марганца на диэлектрические характеристики пленок BSTO Важное значение имеет положение, занимаемое примесным атомом в узле кристаллической решетки, как это показано на рис. 3, или атом Mn попадает в межузельное состояние, межблочное или межгранульное пространство. В монокристаллах отсутствует межгранульная фаза и атомы примеси, находящиеся в расплаве, из которого выращивается кристалл, имеют больше возможности занимать положение в кристаллической решетке.

В пленках, обладающих высоким уровнем структурного совершенства и гомогенности, содержание межблочной фазы существенно меньше, чем в поликристаллических пленках. Примером таких структур являются образРис. 3. Модель компенсации кислородной вакансии [VO]2+ цы, выращенные в одинаковых режимах на подложках точечным дефектом замещения [MnTi]2- (BaxSr1-x)2+Ti4+ 1-y LAO и поликора, ВФХ и ВАХ которых приведены на [MnTi]2-O2- [VO]2+. 1 —Ba(Sr) —A, 2 —O X, 3 —Ti B, y 3-z z рис. 2 и 4.

4 —MnTi — дефект замещения, 5 — вакансия кислорода.

ВАХ нелегированных образцов имеют ярко выраженные нелинейные участки зависимости тока от напряжения, которые начинаются при напряжении 80 V.

Подобная нелинейность ВАХ наблюдалась при исслефаза Ba(Ti+3 Ti+4 )O3, которая имеет несовершенную 0.48 0.довании электропроводности специально не легировантетрагональную структуру. Дефектная фаза идентифиных монокристаллов STO [15] и объясняется наличием цируется по расщеплению рефлексов (200) и (002) на перескокового механизма электропроводности по типу рентгенограммах и является тетрагональным искажениэффекта Френкеля–Пулa. По-видимому, в нелегированем перовскитной ячейки. Ион марганца имеет размер, ных пленках BSTO также имеет место активационный сопоставимый с ионом титана, близкое значение элекхарактер электропроводности, связанный с наличием китроотрицательности ( 1, 5) [14], но при этом является слородных вакансий. По линейным участкам ВАХ можно элементом, который может изменять валентность.

Если предположить, что марганец Mn+2 занимает позиции Ti+4, образуя дефект замещения, то его зарядовая модель может быть представлена в следующем виде (рис. 3): (BaxSr1-x)2+Ti4+ [MnTi]2-O2- [VO]2+.

1-y y 3-z z Вероятно, вакансии кислорода создают неглубокие акцепторные уровни в запрещенной зоне титаната бария– стронция. Ионизация этих уровней активизирует процесс электропроводности. Частичное замещение ионов титана марганцем компенсирует положительный заряд кислородных вакансий, что также отражается на электропроводности образцов. Это подтверждают исследования ВАХ конденсаторов. Экспериментальные исследования ВАХ конденсаторов проводились на постоянном токe косвенным методом по падению напряжения на измерительном резисторе, находящемся во входном блоке электрометра.

На рис. 4 приведены ВАХ трех СЭП планарных конденсаторов, измеренных при комнатной температуре.

Конденсаторы были сформированы на различных подложках: поликор, сапфир и алюминат лантана. Зависимости ”чистых” и легированных образцов имеют важные различия, связанные, по-видимому, с концентрационными соотношениями и достаточным уровнем легирования кристаллов и пленок для компенсации вакансий. Всего 0.01 mol.% примеси марганца в монокристалле приводит к значительным изменениям диэлектрических характеристик, только около 1 mol.% примеси оксида марганца Рис. 4. Вольт-амперные характеристики СЭП конденсаторов приводит к существенным изменениям диэлектрических на основе BSTO пленок без примесей (a), BSTO пленок, характеристик пленок BSTO. содержащих 2 mol.% оксида марганца (b).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 140 С.Ф. Карманенко, А.И. Дедык, Н.Н. Исаков, А.С. Гордейчук, А.А. Семенов...

сказать, что образцы, выращенные на подложках из алю- [6] Poplavko Y.M., Meriakri V. // Electromagnetic Waves &Electronic Systems. 1997. Vol. 2. N 6. P. 35–44.

мината лантана, имели меньшую электропроводность.

[7] Synowszynski J., Sengupta L.C., Chiu L.H. // Integrated В пленках, содержащих примесь Mn ( 2mol.%), Ferroelectrics. 1988. Vol. 22. P. 341–352.

нелинейные участки ВАХ практически не наблюдались, [8] Кунин В.Я., Цикин А.Н., Штурбина Н.А. // Материалы т. е. в данном случае можно предположить, что центры, конф. ”Физика диэлектриков”. Л., 1973. Т. 2. С. 190–192.

ответственные за активационный механизм электропро[9] Waser R., Smyth D.N. // Ferroelectric Thin Films: Synthesis водности, были скомпенсированы примесью Mn. Наиand Basic Properties. Sidney: Gordon and Breach Publish., меньшая электропроводность наблюдалась для структур 1996. P. 150.

BSTO/поликор.

[10] Карманенко С.Ф., Дедык А.И., Исаков Н.Н. и др. // Особенности зависимости tg (U) для BSTO/поликор, Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. Вып. 19. С. 50–60.

BSTO/LAO и BSTO/ указывают на различный характер [11] Scott J.F., Araujio C.A., Melnick B.M. et al. // J. Appl. Phys.

дефектообразования. Понижающийся фактор диэлектри- 1991. Vol. 70 (1). P. 382–388.

[12] Вендик О.Г., Тер-Мартиросян Л.Т. // ЖТФ. 1999. Т. 69.

ческих потерь с увеличением напряжения смещения, Вып. 8. С. 93–99.

вероятно, свидетельствует об избыточном положитель[13] Дудкевич В.П., Фесенко Е.Г. // Физика сегнетоэлектриченом объемном заряде в СЭП. Инжекция электронов ских пленок. Ростов: Изд-во РГУ, 1979. 190 с.

вследствие напряжения, приложенного к электродам, [14] Соколовская Е.М., Гузей Л.С. // Металлохимия. М.: Издкомпенсирует заряд и tg понижается. Для легированных во МГУ, 1986. 264 c.

пленок BSTO/LAO наблюдается обратный характер зави[15] Дедык А.И., Прудан А.М., Тер-Мартиросян Л.Т. // ФТТ.

симости — tg возрастает с увеличением U. Вероятно, 1985. Т. 27. Вып. 6. С. 1615–1619.

уровень легирования пленок BSTO/LAO ( 2mol.%) превышает оптимальный уровень, т. е. концентрация донорных примесей N(MnTi) больше N[VO].

В легированных структурах BSTO/поликор и BSTO/ при малых электрических смещениях происходит компенсация заряда на кислородных вакансиях. При значении электрического поля 3 · 104 V/cm объемный заряд становится скомпенсированным и, сверх того, инжектированные электроны образуют заряд противоположного знака (-), что приводит к возрастанию тангенса угла диэлектрических потерь.

Таким образом, анализ ВФХ и ВАХ характеристик планарных конденсаторов на основе СЭП различного состава позволяет исследовать особенности дефектообразования в перовскитных пленках и на интерфейсе. Понимание процессов образования и компенсации объемного заряда способствует совершенствованию технологии формирования СВЧ управляемых приборных структур на основе сегнетоэлектрических пленок.

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.