Фотосегнетоэлектрические явления в тонких поликристаллических пленках сегнетоэлектрика-полупроводника Sn2P2Se тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НЛУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ

РОССИИ

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗАМБИИ ГОСУДАРСТВЕНННЙ УНИВЕРСИТЕТ

Специализированный совет К 0G3.52.08 по физико-матенатическнм наукам

На правах рукописи

АРНАУТОВА КЛЕИЛ АЛЕКСЛИДРОВИА

УДК 537.228.4

ФОТОСЕГПВТОЭЛЕКТРИЧЕСКИВ ЯВЛШ1ИЯ В ТОПКИХ НОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКНХ НЛВПКЛХ СВГНКТОЭЛВКТГИКА-ПОЛУПРОВОД1ШКА БпаРяБв

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону

Работа виполченл в отделе физики полупроводников НИИ физики при Ростовском ордена Трудового Красного Знамени государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

академик РАО, профессор ГРЕКОВ A.A.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ДУДКЕВИЧ В.П., (Ростовский госуниверситет)

кандидат физико-математических наук, доцент БОЛЬШАКОВА H.H. (Тверской госуниверситет).

Ведущая организация: Воронежский политехнический

институт.

Защита диссертации состоится п//'•"Часов на заседании специализированного совета К 063.52.08 по физико-математическим наукам в Ростовском государственном университете по адресу: 344080, Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, НИИ физики при РГУ.

С диссертацией мокно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу. 344000, Ростов-на-Дону, у*. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан " - " _ 1893 г.

Учений секретарь специализированного совета К 083.52.08, кандидат физико-математических наук

Павлов А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Открытие фотопроводящих сегнетоэлектриков в 1982 году дало начало развитию нового направления в Физике сегнетоэлек-тричества - исследованию влияния неравновесных электронов и всей электронной подсистемы на сегнетоэлектрнческие свойства кристаллов. Первоначально природа фотосегнетоэлектрнческих явлений исследовалась на кристаллах сульфонодида сурьмы и титаната бария, так как низкая температура Кюри позволяет изучать особенности фазового перехода в условиях стабильной перезарядки энергетических уровней.

За три десятилетия была обнаружена и изучена большая группа фотосегнетоэлектрнческих явлений в фотопроводящих сегнетоэлектриках типа в иирокозотшх полупровод-

никах-сегнетоэлектриках типа А^В^1 и узкозоннык полупроводниках типа А^В'1'1,

Широко известны основные фотосегнетоэлектрические явления: фотостимулированный сдвиг температуры Кюри (влияние неравновесных электронов на температуру Кюри), фотогистере-зисный эффект (влияние неравновесных носителей на температурный гистерезис - его уменьшение), фотодоменный (изменение доменной структуры под влиянием неравновесных электронов), фотодеформационный (влияние неравновесных электронов на ■ деформацию сегнетоэлектрика, в частности, на спонтанную деформацию при фазовом переходе), спонтанный фотозлектретный эффект (экранирование спонтанной поляризованности неравновесными носителями) и аномальный фотовольтаический эффект (фотонапряжения, значительно превышающие ширину запрещенной зоны) /1/. Их группа продолжает пополняться новыми: резкое ускорение медленных релаксационных процессов в кристаллах сульфо-* иодида сурьмы под действием фогоактивного света, торможения роста трещин в кристалле титаната бария при освещении ультрафиолетовым светом и другие.

В настояшее время научный интерес представляет дальнейшее исследование физики фотосегнетоэлектрнческих .явлений как взаимосвязи сегнетоэлектрических и полупроводниковых свойств. В связи с этим актуальна задача выявления особенностей фотосегнетоэлектрнческих эффектов в тонких пленках Фотопроводни-

ковых сегнетоэлектрических материалов, где доля приповерхностных слоев сравнима с долей сегнетоэлектрического объема. Перспективность пленочных структур с точки зрения их применения в твердотельной микроэлектронике придает этой задаче важное прикладное значение. Решаются вопросы временной стабильности свойств пленок, устойчивости к воздействию температуры и свет,а. На сегодняшний день такие работы единичны.

Кроме того, до сих пор остается неизученным вопрос о влиянии фотоэффекта на механизм переполяризации. Эти исследования важны для создания эапонинающих устройств с неразруша-ющим считыванием на основе пленок сегнетоэлектрика-полупро-водника. Также большое прикладное значение имеют задачи оптимизации пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических свойств тонких пленок, установление их зависимости от структуры и технологических условий осаждения.

Ца*ь_Еаба1ы.

1. Усовершенствование технологии получения поликристаллических пленок БпгРгБв для оптимизации их сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических характеристик.

2. Исследование влияния фотоактивного света на сегнетоэлек-трические свойства пленок сегнетоэлектрика-фотопроводника БпгРгЭв, выявление механизма этого влияния.

3. Исследование особенностей процессов переключения полпри-эованности в пленках БпгРгБа.

Объект исследования. Объектом исследования являлись тонкие поликристаллические пленки сегнетоэлектрика-фотопроводни-ка БпгРгБэ на алюминиевых и кремниевых подложках. Этот материал в пленочном исполнении является перспективным для технических применений благодаря ярко выраженным сегнетоэлектри-ческим' и пьезоэлектрическим свойствам. Кроме того, он исключительно удобен как объект для исследования влияния электронной подсистемы на сегнетоэлектрические и диэлектрические характеристики пленочных структур, так как обладает фотопроводимостью в видимой области спектра. Это позволяет изменять концентрацию неравновесных электронов в широких пределах путем освещения. Так же исследуемые нами пленки ЭпаРгБв имеют достаточно низкую точку Кюри, что упрощает методику экспериментов по изучению особенностей фазового перехода в них в условиях стабильной оптической перезарядки уровней.

1. Путем изменения структуры и рельефа поверхности подложки, возможно получать методом вакуумного термического испарения в квазизамкнутом объеме поликристаллические пленки сегнетоэлек-трика-фотопроводника БпгРгЗв стехиометрического состава и высокой степени структурного совершенства с различными типами текстуры, которые влияют па пьезоэлектрические свойства объекта.

2. Исследованные Фотосегнетоэлектрические явления в пленках БпгРгЗв, а именно: смещение петли диэлектрического гистерезиса, уменьшение диэлектричесхоЛ проницаемости со временем, сдвиг температуры Кюри, изменение величины пнротока носят релаксационный характер; ведущим механизмом релаксации является смена внешнего (свободными зарядами на электродах) экранирования сегнетоэлектрической полярнзованности внутренним (носителями в объеме пленки) экранированием.

3. Обнаруженный эффект самопроизвольного обратного переключения после воздействия импульсным деполяризующим полем на предварительно поляризованную пленку БпаРяБв обусловлен действием внутреннего экранирующего поля заряда "спонтанного" фотоэлектрета, которое создается при освещении образца.

Вшглная_ш>яизна_рдЕохы.

1. Впервые рассмотрены и исследованы фотосегнетоэлектрические явления в тонких поликристаллических пленках сегнетоэлек-трика-фотопроводиика; выявлен общий с кристаллами этого типа соединений (сегнетоэлектричаские халькогеннды) релаксационный характер фотосегнетоэлектрических процессов в пленочных структурах БпгРгйв.

2. Впервые в работе исследованн пироэлектрические свойства сегнетоэлекгрических пленок БпаРгБа.

3. Установлена соответствие между структурой и рельефом поверхности подложки и типом текстуры получаемой пленки при прочих одинаковых технологических условиях роста. Определена связь преимущественной ориентации кристаллитов пленки и ее пьезоэлектрических параметров.

4. Впервые обнаружен и исследован эффект самопроизвольного обратного! переключения в тонких поликристаллических пленках сегнетоэлектрика-полупроводника БпгРгЗв.

1. Были получены тонкие пленки БпгРгБе с различными типами преимущественной ориентации кристаллитов, что позволило улучшить характеристики пьеэоэлементов для датчиков объемного акустического возбуждения.

2. Установлено, что освещение пленок ЗпгРгЭв, вызывающее ускорение релаксационных процессов, является средством повышения устойчивости к внешним воздействиям и временной стабильности пьезоэлектрических характеристик пьеэоэлементов. Разработан метод эффективной поляризации пленочных образцов с применением фотоактивного освещения.

3. Использование эффекта самопроизвольного обратного переключения в сегнегоэлектрических пленках SnzP:>Se открывает возможности для создания на их основе запоминающего устройства с нераэруиающин считыванием.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции "Electronic ceramics - productions and properties" (г.Рига, 1690 год), на XI Всесоюзной акустической конференции (г.Москва, 1991 г.), на VII Европейской конференции по сегнетоэлектричеству (г.Дижон, Франция, 1891 г.), на Международной конференции "Transparent ferroelectric ceramics: productions, properties 5 applications" (г.Рига, 1981 г.), на международной конференции, посвященной 25-ой годовщине Диэлектрического общества (г.Лондон, Великобритания, 1882 г.) и на семинарах отдела физики полупроводников НИИ Физики РГУ.

Публикации и вклад автора. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в центральной и международной печати, 2 доклада в сборниках материалов конференций, 4 тезиса докладов.

Все основные результаты диссертации получены лично автором. Автор участвовала в планировании экспериментов, в изготовлении объектов исследования; провела основную экспериментальную работу; внесла вклад в интерпретацию результатов и выбор физической модели исследованных фотосегнетоэлектри-ческих процессов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 144 наименований. Содержание диссертации изложено на 148 страницах, включающих 38 рисунков и I таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Ва_ваалегши. обоснозана актуальность тены диссертации, сформулирована цель работы, дано обоснование пкбора объекта исследования, перечислены научные положения, выносимые на защиту, описаны научная новизна и практическая ценность работы, приводятся сведения об апробации результатов работы, о публикациях, структуре и объеме диссертации.

В перпой гдапе проведен обзор литературы, посвященный исследованию фотосегнетоэлектрических явлений в сегнетоэлек-триках-полупроводниках, обсуждаются их механизмы. Все известные сегодня фотосегнетоэлектрические явления по механизму протекания делятся на два класса. В основе явлений первого класса лежит микроскопический механизм злектрон-фононного взаимодействия и оптической перезарядки уровней энергии. Ко второму классу относят явления макроскопического характера -экранирование неравновесными носителями связанного заряда спонтанной поляризованностн. При анализе явлений этого класса обсуждается роль поверхностных слоев сегнетоэлектрического кристалла, которые препятствуют полному экранированию деполя-. ризующего поля остаточной поляризованностн на электродах. Фотосегнетоэлектрические эффекты экранирования обусловлены, согласно /2/, Формированием поля заряда "спонтанного фотоэлектрета" под действием внутреннего деполяризующего поля при фотоактивном освещении, то есть закреплением на глубоких ловушках неравновесных электронов. Модель сегнетоэлектрического короткозамкнутого конденсатора с диэлектрическими зазорами у электродов упрощенно описывает механизм смены внешнего экранирования внутренним. Отмечено отсутствие исследований фото-сегнетоэлектрических явлений в пленочных структурах.

В этой главе также обобщены имеющиеся в литературе сведения о методах получения полихристаллических пленок сегнето-электрика-полупроводника тиофосфата олова и результатах исследования электрофизических свойств монокристаллов и пленок данного материала. В работах /3,4/ было покапано, что условия получения пленок БпгРгЗв оказывают сильное влияние на их микроструктуру и сегнетоэлектрическне свойства. Однако, данные об электрофизических характеристиках пленок, получен-

ных разными методами испарения, противоречивы. Кроме того, в работе /4/ пленки ЗпгРгБв, как правило, имели толстую (~1 мкм) аморфную прослойку на границе с подложкой. Структурное совершенство пленок в связи с условиями их формирования ранее не изучалось. Данные об их пьезоактивности фрагментарны Отсутствуют сведения о пироэлектрических свойствах пленок. Не изучено влияние фогоактивного света на спонтанную полярнзо-ванность, процессы переключения, на пьезоэлектрические свойства в пленках сегнетоэлектрика-полупроводника тиофосфата олова.

Во второй глапв описан способ получения поликристаллических пленок тиофосфата олова вакуумным термическим испарением в квазизамкнутом объеме /5/, обоснован выбор этого метода как наиболее совершенного. В отличии от методов лазерного и термического испарения он позволяет приблизить условия осаждения пленки к равновесным, то есть уменьшить разницу температур испарителя и подложки, обеспечить более высокое давление легколетучих компонент пара в области конденсации путем введения в рабочий объем вакуумной установки "горячей стенки". В результате происходит обменное взаимодействие между паровой и конденсируемой фазами, так как продукты реиспа-рения не удаляются из квазизамкнутого объема.

Нами проведено усовершенствование технологической установки, в результате которого уменьшилась ее инерционность при выходе на температурный режим осаждения. В пленках, полученных на такой установке, отсутствовал аморфный переходной слой на границе "пленка-подложка", наблюдаемый ранее /4/. В широком интервале температур испарителя (520-565°С) и подложки (210-420°С) нами был экспериментально подобран оптимальный температурный режим напыления, обепечивающий стехиометричес-кий состав пленочных йбразцов и высокую степень структурного совершенства. Приведены оригинальные результаты получения различных пленочных текстур посредством ориентирующего влияния структуры поверхности подложки. С этой же целью использовался искусственный фотолитографический микрорельеф. В этой главе описаны также экспериментальные установки и методы исследования пьеэо-, пироэлектрических и фотосегнето-электрических свойств пленок и кристаллов данного материала.

Исследования проводились с помощью стандартных методик, видоизмененных с учетом специфики пленочных объектов.

Третья глава посвящена поиску условий Формирования структурно-совершенных пленок, изучению их пьезоактнвности и выяснению возможности управления текстурой с цолыо оптимизации пьезоэлектрических свойств.

При варьировании температурных параметров осаждения установлено, что структурно-сопершошшо пленки Формируются в очень узкой области (Т..оп = 555+5 "С; Т1ЮЛЯ = 290+.3 °С >. При

этом величины микродеформаций не превышали Ю-4, а величины

о

областей когерентного рассеяния составляли но менее 1000 Л. Оценены они были методом аппроксимаций с точностью до 15-20 * Даже незначительные изменения температур режима напыления приводили к существенному ухудшению структурно-деформационных характеристик, сопровождавшемуся подавлением сегнетоэлектри-ческих свойств. Из анализа картины поперечных сколов и характера зависимости поперечных размеров кристаллитов от толщины пленки сделан вывод о столбчато-пнрамидалыюм механизме роста кристаллитов.

Известно, что величины пьезоэлектрических коэффициентов поликристаллических образцов сегнетоэлектрикоп могут существенно изменяться при наличии преимущестпенпой ориентации кристаллитов. Изменяя условия осаждения, возможно получать текстуры роста различного типа, что и было проделано на пленках SnsPzSe в работе /4/. Однако, этот муть оказался непригоден из-за неизбежного понижения степени структурного совершенства пленок. Поэтому мы использовали ориентирующее влияние подложех с разной структурой поверхности. Таким способом были получены четыре типа пленок. Иа алюминиевую фольгу осаждались поликрнсталлические пленки без преимущественной ориентации кристаллитов. На пластинах монокрисгалли-

о

ческого кремния среза (100) с подслоем алюминия (100-300 Л) формировались пленки с аксиальной текстурой типа (111), где вектор спонтанной поляриэованности Гз лежит под углом 56° к плоскости подложки. Степень текстурированности пленок составляла 42-45 Я.

При использовании в качестве подложки лла<тин моиокрис-таллического кремния среза (111) с подслоем алюминия получали

пленки с аксиальной текстурой типа (100), то есть вектор Рд направлен под углом 35° к плоскости подложки. В этом случае пленки были техстурированными на 38-40 X.

С этой же цель» применялись искусственные микрорельефы на кремнии с углублениями в виде полос и шестиугольников. В первом случае Формировались пленки с текстурой типа (011), вектор Рв расположен под углом 40° к плоскости подложки и степень текстурированности - около 50Х. Во втором случае текстуры получить не удалось.

Исследование пьезоэлектрических свойств пленок S112P2S8 различных типов показало, что более высокими значениями пьезочувствительности и пьезомодуля обладают пленки с типом текстуры (111): dv = 260-280 пКл/Н, 6-7 мкВ/Па. У пленок с текстурой типа (100) и (011) значения пьезомодуля dv составляли 230-2БС пКл/И, пьезочувствительности jj" - 4-6 мкВ/Па. У нетехстурированных полнкристаллических образцов -dv = 200-220 пКл/Н, £ = 2-3 нкВ/Па.

Был проведен теоретический расчет и оценка пьезоэлектрических коэффициентов полнкристаллических пленок с различной ориентацией кристаллитов с использованием керамической модели. Эта упрощенная модель основана на арифметическом способе усреднения матрицы пьезомодулей монокристалла по всем вероятным для данного пленочного образца направлениям вектора Ре. Степень текстурированности пленок разных типов учитывалась с помощью весовых коэффициентов. Получены следующие расчетные значения:

для пленок без текстуры: dv = 125 пКл/Н;

для пленок с текстурой типа (111): dv = 200 пКл/Н; для пленок с текстурой типа (100): dv = 150 пКл/Н и для пленок с текстурой типа (011): dv = 165 пКл/Н.

Качественное соответствие расчетных и экспериментальных значений объемного пьезомодуля текстурированных пленок показало: чем ближе направление вектора Ра к нормали к плоскости подложки, тем выше значение объемного пьезомодуля поликристаллической пленки. По предварительным оценкам наилучшим объемным пьезоэлектрическим коэффициентом будут обладать пленки, у которых ось спонтанной поляризованности кристаллитов направлена под углом 70-75° к плоскости подлож-

- и -

ки. Итак, задавая определенный рельеф поверхности подложки, возможно определять преимущественную ориентацию кристаллитов пленки и оптимизировать таким способом пьезоэлектрические свойства пленок БпгРгЗв.

Далее нами исследовалась временная стабильность пьезо-активности пленок. Было установлено, что для поляризованных образцов, выдержанных в темноте, величина пьезочувствитель-ности у не изменяется в течение, по крайней мере, трех недель. При освещении такого короткоэамкнутого образца белым светом наблюдалась частичная деполяризация и уменьшение значения на 15-30 % в зависимости от предыстории образца (состаренный или омоложенный до поляризации). При освещении пленки в процессе поляризации и после нее наблюдался рост величины в отсутствии поля на 15-30 X, вызванный, вероятно, увеличением поляриэованности.

Наблюдаемые фотодоменные эффекты не нашли пока должного объяснения, однако позволили разработать эффективный способ поляризации МСЭМ-структур на основе пленок БпаРгЗа с применением фотоактивного света (фотополяризация), который обеспечивает высокие значения у , повышает временную стабильность пьезоэлектрических свойств и устойчивость поляризованного состояния к непродолжительному • воздействию температуры (до 100°С) и переменного электрического поля (до 40 кВ/см).

В четвертой главе исследуются фотосегнетоэлектрические явления в поликристаллических пленках и монокристаллах сег-нетоэлектрика-полупроводкика ЭпгРгЗв и выявляются их механизмы. Обнаружен и изучен эффект самопроизвольного обратного переключения в МСЭМ-структурах на основе 5т?гБв Установлено, что этот процесс в пленках данного материала имеет Фотосег-нетоэлектрическую природу.

Исходное омоложенное состояние образцов достигалось отжигом в темноте при Т>Тс в течение получаса. Результаты проведенных экспериментов сводятся к следующему:

По ПДГ были измерены следующие значения коэрцитивной силы и спонтанной поляриэованности пленок: Ее = 12-15 кВ/см, Рз = 1-3 мкКл/см2, тогда как для кристалла Ео = 0.5-0.7 кВ/см, Ре = 11-14 мкКл/см2. Пленочные образцы после поляризации и

засветки в короткозамкнутом состоянии демонстрировали смещенные асимметричные ПДГ, что свидетельствовало об устойчивости поляризованного состояния в них. Аналогичный эффект наблюдался нами и на кристаллах ЗпгРгЭа. Напротив, в пленках и кристаллах, на подвергавшихся засветке после поляризации, наблюдались симметричные ПДГ, то есть в этом случае внутреннее смещающее поле отсутствовало. Эти Факты свидетельствуют о формировании внутреннего смещающего поля под действием фотоактивного света - поля заряда "спонтанного" фотоэлектрета.

Диэлектрическая лронниаемосгь____.

Как в темноте, так и при освещении величина диэлектрической проницаемости £ поликристаллических пленок БпгРгБв со временем уменьшается на В-10 X. Б темноте период диэлектрического старения длится более суток, зависимость £•(£) имеет логарифмический характер. При фотоактивном освещении этот релаксационный процесс самопроизвольного и необратимого перехода доменной структуры из метастабильного в устойчивое состояние происходит за 20-25 минут. При выключении света не наблюдается возвращение £ к исходному значению. Такой фотодиэлектрический эффект ранее наблюдался в работе /6/ на кристаллах 5ВБ1 и объяснялся ускорением перестройки доменной структуры и закрепления доменных границ при участии неравновесных носителей. Следовательно, в пленках ЭпгРгЗв фотоактивный свет, изменяя условия экранирования деполяризующего поля остаточной^ поляриэованности, ускоряет медленные релаксационные процессы.

После освещения поляризованных короткозамкнутых монокристаллов и пленок БпгРгБв фотоактивным светом в сегнетоэлектри-ческой фазе в обоих случаях наблюдался сдвиг максимума температурной зависимости диэлектрической проницаемости £(Т) в сторону высоких температур. Это свидетельствует о смещении температуры фазового перехода Тс под действием внутреннего экранирующего поля заряда спонтанного фотоэлектрета /2,6/. Изменяя время предварительной засветки образцов при постоянной интенсивности света, получали разные величины внутреннего поля спонтанного фотоэлектрета, что приводило к различной величине сдвига Тс. Максимальная величина сдвига Тс определялась степенью наполяризованности образца. Аналогич-

ный эффект наблюдался нами при приложении внешнего смещающего поля разной величины Есм. Из термодинамической теории для фазовых переходов второго рода получена следующая аналитическая зависимость величины сдвига Тс от поля Ео«:

(1>

Она хорошо согласуется с измеренными значениями для пленок и кристаллов. При влиянии внутреннего поля заряда спонтанного фотоэлектрета наблюдалась такая же экспериментальная зависимость сдвига Тс(Е»). Величина поля Е« оценивалась по смещению ПДГ. Для пленок были определены следующие расчетное (кО и экспериментальное (кг) значения коэффициента пропорциональности :

к1пл= 1.1*10-э градэ/2*см/в, кгч*= (1.8-2.0)*10-з градз/2*см/в Для кристалла:

к1кр= 1.0*10-з градЗ'^см/В, кгкр = 1.9*10~э градЗ'^см/В.

Необходимо отнетить, что максимальный сдвиг Тс для кристалла составлял 4-5°С, тогда как для пленок эта величина достигала 8-10°С. При этом значения внутреннего поля заряда спонтанного фотоэлектрета в пленках на порядок превышали значения этого поля в кристаллах.

Пиротоки.

Эксперименты по изучению влияния освещения на пиротоки монокристалла тиофосфага олова показали, что засветка образца в короткозамкнутон состоянии после поляризации сдвигает максимум пиротока на 4-5°С в сторону высоких температур, причем величина тока понижается по сравнению с пйротоком поляризованного без засветки кристалла. Это, очевидно, обусловлено уменьшением лироэаряда, то есть частичной деполяризацией кристалла в период засветки. Подтверждением такой интепрета-ции служит небольшое падение величины пьезочувствительности после освещения короткозамкнутого кристалла. Если же освещать образец не только после поляризации, но и в процессе нее, то измерения показывают еще большее уменьшение величины пиро-заряда (на 20Х) по сравнению с пирозарядом неосвещенного кристалла.

Нами наблюдался эффект памяти доменной структуры кристалла, засвеченного посла поляризации, при кратковременном пребывании его в паразлектрической фазе (на 10-15°С выше Тс)

и последующем возвращении в сегнатоэлехтрическую фазу в отсутствии поляризующего поля. Повторный пироток при нагреве образца показывал неизменность величины пирозаряда, что обусловлено сохранением заряда спонтанного фотоэлектрета. Такой эффект не наблюдался при перегреве за точку Кюри поляризованного в темноте кристалла, так как в этом случае экранирующий встроенный заряд спонтанного фотоэлектрета не образовывался.

Итак, величина и направление сдвига максимумов пиротоков подтверждают существование внутреннего экранирующего поля, сформировавшегося при фотоактивном освещении кристалла в сегнетоэлектрической Фазе - поля заряда спонтанного фотоэлектрета. Был проведен эксперимент по его непосредственному обнаружению путем фотодеполяризации в параэлектрической области.

Пироэлектрические измерения поликристаллических пленок ЗпгРгБа проводились нами впервые. Исследована температурная зависимость пироэлектрического коэффициента р.(Т) поликристаллических пленок БпаРгБа на алюминиевой подложке. При 20°С он составляет (1.0-1.5)*10—4 Кл/К/м2 при толщине образца 10-15 мкм. Для кристалла в работе /7/ приводится величина пироэлектрического коэффициента 8.7*10—1 Кл/К/м2.

В отличии от экспериментальных данных, полученных для кристалла, величина пиротока пленки, освещенной после поляризации, на 17-20 X превышает величину пиротока таковой без засветки. Кроме того, в случае пленок момент начала засветки (во время поляризации или после нее) не влияет на величину и форму пиротока.

Для подробного рассмотрения механизма формирования в сегнетоэлектрической фазе внутреннего экранирующего поля спонтанного фотоэлектрета в пленках тиофосфата олова мы использовали модель короткозамкнутого сегнетоэлектрического конденсатора с диэлектрическими зазорами у электродов, когда поле спонтанной поляризованности почти полностью скомпенсировано внешним экранированием на электродах. Роль диэлектрических зазоров выполняют поверхностные слои (барьеры типа Поттки) /4/, которые составляют значительную долю в объеме всей пленочной структуры. Из-за пространственного разделения

внешнее экранирование несовершенно. Внутри сегнетоэлсктрика остается ненулевое деполяризующее поле, величина которого определяется материалом и геометрией образца. Механизм смены внешнего экранирования внутренним в этой упрощенной модели сводится к стабилизации доменной структуры полем фотоэлок-третного заряда, образовавшегося под действием фотоактивного света в результате "вытеснения" внешнего экранирования деполяризующего поля свободными носителями на электродах внутренним экранированием его неравновесными носителями в объеме сегнетоэлектрика, часть которых пространственно закрепляется на глубоких ловушках. Внутреннее деполяризующее поле спадает со временем по экспоненциальному закону /6/.

Результаты исследования влияния света на диэлектрические и сегнетоэлектрические характеристики пленок и кристаллов БпгРгЭв позволяют сделать вывод о едином релаксационном механизме наблюдаемых в них фотосегнетоэлектрических явлений. Фотоактивный свет, увеличивая электропроводность, ускоряет процессы стабилизации доменной структуры, что проявляется в спаде 6 , смещении ПДГ, сдвиге Тс в сторону высоких температур. Эффект памяти доменной структуры униполярного состояния после перегрева за точку Кюри свидетельствует о стабильности заряда спонтанного фотоэлектрета, осевшего на лопушки.

Одновременно с процессом смелы внешнего экранирования внутренним может происходить образование встречных доменов у поверхности, что вызывает уменьшение деполяризующего внутреннего поля и, соответственно, остаточной поллризованностн. Очевидно, таким процессом можно объяснить уменьшение пиро-эаряда у кристаллов БпгРгБп.

В отличии от кристаллов у пленок наблюдался, как описано выше, рост пиротока после заспетки. Нами было обнаружено также, что пироток в пленках имеет одинаковую величину независимо от момента начала засветки пленки: одновременно с поляризацией внешним полем или *е сразу после нее. На основании этого можно предполагать, что формирующийся п пленке под действием внешнего поля заряд обычного фотоэлектрета локализуется в поверхностных слоях и после закорачивания образца становится экранирующим, быстро стабилизируя доменную структуру. В этом случае преимущественная генерация неравновесных носителей, ускоряющих процессы закрепления ломеноп, должна

проходить в поверхностных слоях (и межкристаллитных прослойках).

Иначе, при преобладании процесса натекания неравновесных носителей из объемов кристаллитов мы наблюдали бы индуцирование в постоянном внешнем поле заряда обычного фотоэлектрета, локализующегося в объеме кристаллитов и вызывающего частичную деполяризацию образца и соответственное уменьшение пирозаряда, как в монокристалле.

Недостаток экспериментальных данных по этому вопросу, обусловленный техническими трудностями, не позволяет на сегодняшний день однозначно подтвердить эту интерпретацию.

Далее пани были исследованы особенности процессов переполяриэации в пленках БпгРгБв при наличии в них заряда спонтанного фотоэлектрета. Эксперименты проводились по методике Мерца на пленочных образцах толщиной от 3 до 20 мкм. Первоначально были определены интегральные характеристики процесса переполяризации в импульсных полях: время переключения, величина переключаемой поляризованности, поле активации, величина максимального тока переключения. Установлено, что с ростом толщины пленки (и, соответственно, размеров кристаллитов) время переключения уменьшалось от 400 до 250 не, поле активации/. - от 18-20 кВ/см до 2..0-2.5 кВ/см, величина переключаемой поляризованности возрастала от 0.2 мкКл/см2 до 0.6 мкКл/см2. Такие различия параметров переключения были обусловлены различным структурным совершенством пленок разной толщины.

Был обнаружен эффект самопроизвольного обратного переключения, то есть возвращение доменной структуры в исходное состояние после окончания действия переключающего импульса. Установлено, что это явление обусловлено существованием внутреннего экранирующего поля и в сильной степени наблюдается на ранее засвеченных пленках БпгРгЗв.

Проведено исследование влияния длительности и амплитуды деполяризующих импульсов внешнего поля на величину эффекта самопроизвольного обратного переключения, то есть на процесс разрушения исходного поля заряда спонтанного фотоэлектрета и на его перестройку. Установлено, что при длительности переключающих импульсов до 2 мке происходит практически полное обратное переключение в течение 10" циклов.

- 17 -

В-ШШ2Й_Е*аде обсуждаются возможности прикладного использования исследованных явлений для повышения временной стабильности параметров пленочных пьэзоэлемеитов и для создания запоминающих устройств с неразрушающим считыванием.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И БЫПОДН.

1. Показана возможность получения поликристаллнческих тонких пленок ЗпгРгЭв стехиометрического состава и высокой степени структурного совершенства с различным типом текстуры в зависимости от рельефа поверхности подложки в одинаковом технологическом режиме.

2. Установлено влияние текстуры на пьезоэлектрические свойства полнкристаллических пленок ЗпгРгЗв. Показано, что наилучшими пьеэосвойствами обладают пленки с типом текстуры (111).

3. Установлено отсутствие аморфного переходного слоя на границе "пленка-подложка" в пленках 5пгРг5п, полученных в рамках данных условий осаждения.

4. Показано, что исследованные фотосегнетоэлектрические явления: сдвиг Тс, сдвиг и деформация ЛЛГ, уменьшение диэлектрической проницаемости в монокристаллах и тонких пленках БлгРгБв носят релаксационный характер. Ведущим механизмом релаксации является смена внешнего экранирования остаточной поляризованности на электродах внутренним экранированием объемными зарядами.

5. Изменение величины пиротока в пленках БпгРгЗв после засветки служит косвенным доказательством преимущественной генерации неравновесных носителей заряда из приповерхностных слоев и меякристаллитных прослоек с несегнетоэлектрическими свойствами в объем кристаллитов пленки, тогда как в монокристаллах преобладает фотопроводимость в сегнетоэлектрнческом объеме.

6. Проведены исследования временной стабильности ньезоактив-ности пленочных структур металл-сегнетоэлектрик-металл (НСЭИ) на основе БпгРгба. На основании полученных результатов раэработая способ эффективной поляризации пленочных элементов с использованием фотоактивного света.

7. Обнаружен и интерпретирован в рамках фотосегнетоэлектри-ческих процессов эффект самопроизвольного обратного переключения доменов. Использование вышеназванного эффекта позволяет получить элементы памяти с неразрушающим считыванием на основе пленок SnzPîSe.

8. Впервые исследованы пироэлектрические свойства поликристаллических пленок SnzPzSe и оценена величина пироэлектрического коэффициента.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики. М: Наука, 1979. - 264с.

2. Фридкин В.М. Сегнетоэлектрики-полупроводники. П.: Наука, 1976. - 408с.

3. Шаркань И.П. Взаимосвязь процессов испарения кристаллов, структурообразования и некоторых свойств сегнетоэлектри-ческих пленок типа БпгРгЗэ // Автореферат дне....канд. физ.-нат. наук. - Львов, 19G3. - 19с.

4. Сандхиев Д.II. Пленочные структуры на основе сегнетоэлек-трика-полупроводника SnzPïSe //Дне.... канд. физ.-мат. наук. - Ростов-н/Д, 1988. - 175с.

5. Проценко Н.П., Рогач Е.Д., Санджиев Д.Н., Задорожная Л.А., Кудинов А.П. Способ получения сегнетоэлектрических пленок тиофосфата олова. - Заявка на изобретение 4300502/24-21 (135582) от 25.08.87, положит, решение от 25.05.88г.

6. Корчагина Н.А. Медленные релаксационные процессы в сеглетоэлектрике-полупроводнике SbSI // Автореферат дисс....канд.физ.-мат.наук. - Ростов-на-Дону, 1984. - 21с.

7. Ворошилов Ю.В., Сливка В.Ю. Аноксидные материалы для электронной техники. - Львов: Изд-во "Выща школа" при ЛГУ. - 1989. - 200с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Sandjiev D.N., Arnautova Е.А., Rogach E.D. Polycrystal1i-ne БпгРгБв thin films - preparation and properties // The international conference "Electronic ceramics - production and properties". Part 2. (Riga, Latvia, USSR. May, 1990). - Riga: University of Latvia, 1990. - P.97-99. ^

2. Арнаутова Е.Л., Рогач Е.Д., Санджиев Д.II. Сегнетоэлек-трические пленки БпгРгБв для акустических преобразователей // XI Всесоюзная акустическая конференция. Доклады. Секция Р. (Москва, июнь 1991 г.). -П.: ЛКИН, 1991.

-С.45-47.

3. Rogach E.D., Arnautova Е.Л., Sviridov E.V., Savchenko E.A., Grekov А.Л. SnzPiSa films for storage cells with nondestructive readout // Seventh European Hceting on Ferro-eleotrioity. (Dijon, France. July, 1991). Abstrncts. -

P.550.

4. Rogach E.D., Arnautova E.A., Adonin Л.Л., Protsenko H.P. Peculiarities of the switching processes on the ferroelectric films SnaPaSe // The international conference "Transparent ferroelectric ceramics: production, properties & applications". (Riga, Latvia. October, 1991). Abstracts. - P.143.

5. Рогач Е.Д., Свиридов E.B., Арнаутова Е.Л., Савчонко Э.Л., Проценко It.П. Эффект обратного переключения в сегнето-злектрических пленках БпгРгЗе // Журнал технической физики. - 1991. - Т.61, вып.8. - С.201-204.

6. Рогач Е.Д., Арнаутова Е.А., Савченко Э.Л., Корчагина II.А., Баринов Д.П. Устойчивость поляризованного состояния сегнетоэлектрических пленок SnsPzSn // Журнал технической физики. - 1991. - Т.61, вып.9. - C.164-1G7.

7. Arnautova Б., Sviridov Е., Rogach Е., Savchenko Е., Grekov Л. SnzPsSa films for memory devices with nondestructive readout // Integrated Ferroelectrics. - 1992. -V.l, HI. - P.1-4.

8. Rogach E.D., Arnautova E.A., Kosonogov (I. A.. Protsenko H.P. ^Piezo- and pyroelectric properties of ferroelectric

Sn2P2Se films // The dielectric society 25th Anniversary meeting in conjunction with ECAPD-2 and IWIF-L Imperial college of Science, Medcine and Technology. (London, United Kindom. April, 1992). Abstracts. - P.163. 8. Sandjiev D.N., Arnautova Е.Л., Protsenko H.P.

Polycrystalline textured SnzPzSe thin films // Second European Powder Diffraction Conference. (Sushede, Netherlands. July, 1992). Abstracts. - P.13.