НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР Si/BaTiO , СФОРМИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ

phase transitions, interfaces
and nanotechnology
http://pti-nt.ru
2016, №1
НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР Si/BaTiO3,
СФОРМИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
А.Ю. Милинский1,2, С.В. Барышников1, А.Ю. Гойхман3
Благовещенский государственный педагогический университет, Благовещенск, 675002 Россия
2
Амурский государственный университет, 675000 Россия
3
Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград, 236016, Россия
[email protected]
1
NONLINEAR PROPERTIES OF FILM HETEROSTRUCTURES Si/BaTiO3, FORMED
BY PULSED LASER DEPOSITION
A.Yu. Milinskiy1, 2, S.V. Baryshnikov1, A.Yu. Goyhman3
1
Blagoveschensky State Pedagogical University, Russia, 675002, Blagoveshchensk
2
Amur State University, Russia, 675000
3
Baltiysk Federal University, Russia, 236016, Kaliningrad
[email protected]
Heterojunctions consisting of n-type BaTiO3 films and p-type silicon wafers (100) have
been made by pulsed laser deposition (PLD). The current-voltage and capacitance-voltage
characteristics near the Curie temperature have been studied. It has been shown that the
nonlinearity coefficient of thin film heterojunctions depends greatly on the temperature and
has a maximum near the phase transition for bulk BaTiO3.
Изготовлены гетеропереходы, состоящие из n-типа пленок ВаТiО3 и р-типа
кремниевых подложек (100) методом импульсно-лазерного осаждения (ИЛО).
Исследованы вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики в окрестности
температуры Кюри. Показано, что коэффициент нелинейности тонкопленочных
гетеропереходов существенно зависит от температуры и имеет максимум вблизи
фазового перехода для объемного BaTiO3.
Использование сегнетоэлектрических материалов в составе многослойных структур,
например, в контакте с полупроводниками, существенно расширяет их функциональные
возможности, так как параметры таких структур могут перестраиваться после воздействия
импульсов поляризующего электрического поля. Все подобные структуры формируются на
основе переходов «металл-сегнетоэлектрик» (переход Шоттки) или «полупроводниксегнетоэлектрик» (гетеропереход). Первые работы по исследованию устройств, изготовленных
на основе структур «металл-сегнетоэлектрик-полупроводник», относятся еще к шестидесятым
годам прошлого века [1,2], и в настоящее время это направление быстро развивается в связи с
развитием наноэлектроники [3-5]. Данная работа посвящена исследованию нелинейных
свойств нанопленочных р-n гетероструктур Si/BaTiO3 с толщиной пленок титаната бария 100 и
70 нм, полученных методом импульсного лазерного осаждения.
Образцы BaTiO3/Si(100) формировались методом импульсного лазерного осаждения
(ИЛО) с использованием сфокусированного излучения импульсного твердотельного лазера
Nd:Yag (E = 65 mJ), длина волны которого составляла 266 nm, длительность импульса – 18 ns и
частота следования импульсов – 10 Hz. Подложка представляла собой пластину
монокристаллического кремния КДБ-12 толщиной 380 мкм с проводимостью p – типа и
ориентацией (100).
Поликристаллические пленки BaTiO3 на поверхности кремния были получены в кислородной
среде при давлении 0.27 Pa во избежание сильного восстановления образцов. На поверхность
пленки BaTiO3 при давлении 10-7 Pa напылялся серебреный электрод толщиной ~ 200 nm.
Толщина пленки титаната бария и качество поверхности контролировались после
формирования рентгеновской дифрактометрией и электронной микроскопией.
При росте пленок BaTiO3 в вакууме происходит частичная потеря кислорода, и они
имеют синеватый оттенок. Стехиометрическое соотношение по кислороду в титанате бария
практически никогда не соблюдается. Как и другие титан-содержащие соединения, ВаТiO3
легко теряет кислород, что ведет к восстановлению с образованием соединения ВаТiO3-x.
Электропроводность кристаллов титаната бария существенно зависит от степени
восстановления и может меняться в широких пределах. Тип электропроводности в титанате
бария, по крайней мере до температуры 180 оС, имеет электронный характер.
Вольтамперные характеристики снимались с помощью вольтметра и амперметра.
Приборная погрешность определения тока и напряжения при снятии вольт-амперных
характеристик не превышала 2 %. Для получения вольт-фарадных характеристик применялся
цифровой измеритель иммитанса E7-25 с частотным диапазоном 25 Hz – 1 МHz. Измерения
проводились в режиме непрерывного нагрева и охлаждения в интервале от 20 до 150 оС.
Точность определения температуры составляла около 0.2 оС.
Прямые и обратные ветви вольт-амперных характеристик гетероперехода Si/BaTiO3/Ag с
толщиной пленки BaTiO3 100 nm при различных температурах приведены на рис. 1. Вольтамперные характеристики гетеропереходов с толщиной пленки BaTiO3 70 nm незначительно
отличаются только абсолютными значениями, поэтому мы их не приводим. При комнатной
температуре структура обладает хорошими выпрямляющими свойствами. Дифференциальное
сопротивление в прямом направлении (рис. 1.b) на линейном участке для структуры с
толщиной пленки BaTiO3 100 nm составляет 450-500 Om и с толщиной 70 nm – 300-350 Оm,
что, по-видимому, обусловлено меньшим объемным сопротивлением пленки титаната бария.
Ток утечки при обратном напряжении -1 V составляет около 20 mkA для обоих образцов. При
температуре 120 оС дифференциальное сопротивление в прямом направлении для образца с
толщиной BaTiO3 100 nm составляет 500-550 Om и для образца 70 nm – 400-430 Om. Ток утечки
при напряжении -1 V возрастает до 300 mkA.
При температурах выше 70 оС на обратных ветвях вольтамперных характеристик
появляются петли гистерезиса (см. рис.1.а). Последнее нельзя объяснить переполяризацией
сегнетоэлектрика, так как петли не исчезают выше температуры Кюри и, по- видимому,
связаны с накоплением на барьерном слое носителей зарядов с большими временами
релаксации.
U (V)
-2,5
-2
a)
-1,5
-1
-0,5
0
0
1600
-100
1400
-200
b)
1200
-400
-500
-600
-700
II (mkА)
(mkА)
-300
1000
800
600
400
-800
-900
-1000
200
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
U (V)
Рис.1: Обратный (а) и прямой (b) ход вольт-амперных характеристик образца гетероперехода
Si/BaTiO3/Ag с толщиной BaTiO3 100 nm при разных температурах (малые квадраты – 27 оС,
круги – 72 оС, большие квадраты – 90 оС, треугольники – 109 оС, ромбы – 120 оС). Темные
символы соответствуют увеличению поля, светлые – уменьшению.
На рис. 2 представлены зависимости коэффициента нелинейности γ = ΔС/(СΔU) от
температуры для образца Si/BaTiO3/Ag с толщиной пленки BaTiO3 100 nm при разных
обратных смещающих напряжениях. Из графика следует, что коэффициент нелинейности
имеет максимум, который смещается в область высоких температур при возрастании
смещающего поля, стремясь к температуре Кюри, характерной для объемного BaTiO3.
2
Зависимость
С(U)
для
сегнетоэлектрических
структур
отлична от степенного закона,
известного для классических p-n
переходов. Это объясняется тем,
что емкость гетероструктуры
Si/BaTiO3 складывается из двух
последовательно
включенных
емкостей: барьерной емкости
кремния – СSi и титаната бария –
СBT: Результирующая удельная
емкость гетероперехода будет
равна
eε o ε Si ε BT N p N n
(1)
С=
2(ϕ k − U )(ε Si N p + ε BT N n )
0,3
0,25
-1
γ (V )
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
20
40
60
80
о
100
120
140
160
T ( C)
Рис.2:Температурная зависимость коэффициента
нелинейности γ при напряжениях смещения 0.1 V
(треугольники), 0.3 V (круги), 0.5 V (ромбы) и 0.7 V
(квадраты).
где φk – контактная разность
потенциалов, U – напряжение на
переходе,
εSi
и
εBT
–
диэлектрические проницаемости
кремния
и
титаната
бария
соответственно, Np и Nn – число
дырок в кремнии и электронов в
титанате бария соответственно.
При комнатной температуре для кремния Np ~ 1015 cm-3 и εSi ≈ 12, для титаната бария Nn
~ 10 cm-3 и εBT ≈ 103. С учетом этого емкость гетероперехода можно записать в виде:
19
С≈
eε o ε Si N p
2( ϕ k − U )
(2)
При подаче напряжения на гетеропереход будет изменяться не только толщина
обедненного слоя, но и диэлектрическая проницаемость самой пленки титаната бария εBT. Т.о.
такая структура одновременно обладает свойствами варикапа и вариконда.
Как следует из эксперимента, нелинейные свойства гетероструктур на основе n-типа
пленок ВаТiО3 и р-типа кремниевых подложек (100), изготовленых методом импульснолазерного осаждения, выражены сильнее, чем у классических p-n переходов, но существенно
зависят от температуры и нелинейных свойств самого сегнетоэлектрика.
Список литературы
1. Zuleeg R., Wider H.H. // Sol. St. Electron., 1966. Т.9. С. 657.
2. David E. Sawyer. // Appl. Phys. Lett., 1968. V. 13. P. 392.
3. Hunter D., Lord K., Williams T. M., Zhang K., Pradhana A. K., Sahu D. R. and J.-L. Huang. //
Appl. Phys. Lett., 2006. V. 89. P. 092102.
4. Lanzhong H., Qingzhong X., Xili G., Qun L., Qingbin Z., and Keyou Y. // Appl. Phys. Lett.,
2007. V. 91. P. 212105.
5.
Guo-zhen L., Kui-juan J., Jie Q., Meng H., Hui-bin L., Jie Xing, Yue-liang Z., and Guo-zhen
Y. // Appl. Phys. Lett., 2007. V. 91. P. 252110.
6. Fridkin V.M. Ferroelectric semiconductors. New York: Consultants Bureau, 1980. 318 p.
7. Bursian E.V., Girhberg Ya.G., Baryshnikov S.V., Bacherev V.N. // Ferroelectrics/ 1978. V.21.
P. 393.
3