Структуры сегнетоэлектрик-полупроводник: свойства, технология и применение тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

XX-

ч»

о

^ На правах■рукописи

N

АФАНАСЬЕВ Валентин Петрович

СТРУКТУРЫ СЕГНЕТОЭЛЕКТРЙК - ПОЛУПРОВОДНИК: СВОЙСТВА, ТЕХНОЛОГИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Барыбин A.A. доктор технических наук, профессор Чаплыгин Ю.А. доктор физико-математических наук, гл.н.с. Шерман A.B.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт "Гириконд"

Защита диссертации состоится " ПшГУ^АлЛ. 1997 года в часов на заседании дассартационного совета Д 063.36.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, г.Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование принципов физической интеграции, лежащих в основе функциональной электроники, открывает новые перспективы в создании элементов и устройств электронной техники. Среда материалов, обеспечивающих, развитие данного направления, видное место занимают сегнетоэлектрики, уникальные свойства которых, обусловленные диэлектрическими, пироэлектрическими, оптическими и пьезоэлектрическими эффектами в одной континуальной среде, делант реальным создание на их основе приборов различного функционального назначения. Наличие двух и более устойчивых состояний поляризованности; сегнетоэлектрика, которая мокет быть локально изменена под действием электрического поля, позволяет создавать не только репрограммируемые запоминающие устройства, сохраняющие информацию при отключенном питании, но и пироэлектрические и акустические преобразователи, оптические системы о адаптивными характеристиками.

Использование совокупности свойств сегнетоэлектрических материалов в составе многослойных структур, например, при непосредственном контакте с полупроводниками, существенно расширяет их функциональные возможности, так как параметры таких структур могут перестраиваться после воздействия импульсов поляризующего электрического поля. Интенсивное развитие, особенно в последние годы, получила идея интеграции сегнетоэлектриков в микросхемы. Однако, получение непосредственного контакта сегнетоэлектрика с полупроводником в многослойных структурах путем нанесения сегнетоэлектрической пленки на полупроводниковую подложку оказалось весьма проблематичным, так как для кислородосодержащих сегнетоэлектриков условия формирования таковы, что приводят к появлении на границе раздела плохо контролируемого слоя окисла. Попытки решить эту проблему путем выбора бескислородных сегнетоэлектриков пока не привели к желаемым результатам. Таким образом, вопрос создания тонкопленочных структур с согнетоэлектрическими и полупроводниковыми слоями остается открыт™.

На момент начала работы с середины 70-их годов, после первой волны публикаций, посвященных созданию тонкопленочных полевых транзисторов с памятью на сегнетоэлектрических подложках, оказалось, что наблюдавшиеся эф!екты старения и нестабильность уста-

новленных после переключения подложки уровней проводимости ставят под сомнение практическую значимость структур сегнетоелектрик-по-лупроводник (СЭ-ПП) в целом. И в последующие годы исследования, нроведешыо как в нашей стране, тек и в США, Японии, ФРГ и других странах, не позволяли ответить на вопрос о функциональных возможностях структуры сегяетоэлектрик-шлупроводник, так как были не ясны физические процессы, ответственные за низкую эффективность управления, нестабильность, невоспроизводимость параметров, отсутствовали критерии выбора материалов, и технологические принципы изготовления структур. Недостаточное понимание процессов на границе раздела сегнетоэлектрик-шлупроводник, релаксационные явления в пленке полупроводника посла переключения сегнетоэлектричес-кой подложки, отсутствие информации о поведении структур при различных .внешних воздействиях не позволяют адекватно оценить возможности их практического использования. Таким образом, проблему создания структур, анализ их свойств и возможностей применения следует признать актуальными.

Настоящая диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, выполнявшихся на кафедре микроэлектроники и в Проблемной лаборатории электрофизических процессов в диэлектриках и полупроводниках СПбГЭТУ им. В.И.Ульянова (Ленина) в соответствии с Координационным планом АН СССР по проблеме 1.3 - "Физика твердого тела" (разделы: 1.3.1.6 -Структура и свойства поверхности и границ раздела твердых тел. Явления на поверхности. Тонкие пленки. 1.3.9.2 - Физические свойства сегнетозлектрических кристаллов, роль доменной в реальной структуры. 1.3.9.5 - Поверхностные слои и явления. Сегнетоэлектричэскио тонкие пленки, жидкие кристаллы, слоистые структуры. 1.3.9.6 - Физические принципы создания элементов из сегнетоэлектриков. Исследование технических характеристик материалов. ), а также в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР СПбГЭТУ.

Целью работы является развитие представлений о физических процессах, протекающих в структурах сегнетоэлектрик-полупроводник резисторного и конденсаторного типов при внешних воздействиях разной прлрода, базирующееся на результатах комплексных исследований структур, обоснование выбора материалов и разработка технологии создания структур, анализ их функциональных возможностей,

а также реализация на их основе элементов и устройств различного назначения.

Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс методик для изучения физически::, свойств используемых в структурах объемных и пленочных сегнето-. электриков и полупроводниковых планок, а также структур в целом.

2. Провести анализ физических процессов в структурах сегнетозлектрик - полупроводник при переключении сегнетоэлек-трической подложки импульсами поляризующего напряжения, а также при воздействии освещения и изменении температуры.

3. Определить критерии выбора материалов для структур сегнетозлектрик - полупроводник с заданным функциональным назначением.

4. Разработать технологию изготовления структур СЭ-ЛП при использовании разных сегнетоэлектрических и полупроводниковых материалов .с учетом их технологической совместимости.

5. Исследовать свойства структур СЭ-ПП при различных внешних воздействиях, определить их функциональные возможности.

6. Рассмотреть варианты практического применения структур сегнетозлектрик - полупроводник и разработать новые элементы' и устройства на их основе.

Научная новизна работы заключается в том, что по результатам комплексных исследований структур СЭ-Ш и входящих в их состав сегнетоэлектрических материалов и полупроводниковых пленок впервые.обоснована возможность создания структур СЭ-ПП резистор-ного л конденсаторного типов со стабильными параметрами, установленными при переключении подложки электрическим полем, разработаны технологические принципы их создания, изготовлены структуры, на основе которых реализованы элементы и устройства различного функционального назначения. К наиболее существенным результатам, представленным в диссертации, относятся следующие.

Разработана модель структуры сегнетозлектрик - полупроводник, в которой впервые учитывается существование потенциального рельефа на поверхности сегнетоэлектрической подложки, обусловленного ее полидоменным строением. Это приводит к существенной неоднородности пленки полупроводника как вдоль границы раздела, так и по ее толщине. Модель позволяет объяснить основные экспериментальные результаты, полученные при воздействии электрического поля, освещения и температуры на структуры разных типов.

Установлена связь между кратностью изменения проводимости полупроводникового резистора и емкости, структуры СЭ-ГШ при поляризации сегнетоэлектрика электрическим полем и характеристиками полупроводниковой плеши и сегнетоэлектрической подложки.. Показано, что наибольшие значения кратности достигаются при использовании одноосного сегнетоэлектрика, а для сегнетокерамики определяющее влияние на кратность оказывает переориентация 180° доменов.

Впервые исследованы фотоэлектрические свойства структур СЭ-ПП как резисторного, так и конденсаторного типов. Показано, что направление и степень поляризации подложки влияют на фоточувствительность пленки полупроводника. Б состоянии обеднения носителями заряда пленки полупроводника в таких структурах реализуются эффекты остаточной фотопроводимости (ОФП) в резисторе или остаточной фотоемкости (ОФЕ) в конденсаторной структуре.

Разработана модель термочувствительного резистора на основе структуры СЭ-Ш. Для случая полной компенсации поляризационного заряда сегнетоэлектрика зарядом в поверхностном слое получены аналитические выражения, отражающие изменение тока в пленке полупроводника при изменению! температуры. Показана возможность управления температурным коэффициентом сопротивления (а^) полупроводниковых резисторов на сегнетоэлектрических подложках как за счет изменения доменного строения подложки в результате поляризации,. так и путем изменения сопротивления дополнительного резистора, включенного между электродом пленочного резистора и управляющим электродом.

Установлено, что для резисторов, изготовленных на основе узкозонных поликристаллических полупроводников, определяющее влияние на та свойства оказывают мэккристаллитныэ барьеры, высота которых изменяется при воздействии поверхностного заряда остаточной поляризованности, освещения или температуры. Учет межкрис-таллитных барьеров позволяет объяснить такие свойства резисторных структур СЗ-ПП, как высокие.значения кратности изменения проводимости и температурных коэффициентов сопротивления пленок узкозонных полупроводников при низких температурах.

Обоснован и осуществлен выбор материалов для структур СЭ-ПП различного функционального назначения. Разработаны и научнообос-нованы технологические принципы формирования структур СЭ-Ш, учитывающие вопросы технологической совместимости материалов. Для

формирования многослойных структур отработана технология получения пленок различных полупроводников с воспроизводимыми наперед заданными характеристиками при использовании разных методов вакуумного осавдения.

Разработана технология получения субмикронных пленок ЦТС на диэлектрических подложках с платиновым электродом методом ВЧ-распыления. Исследованы условия формирования перовскитовой фазы и свойства пленок ЦТС в зависимости от материала подложки, толщины и морфологии поверхности платинового электрода, толщины пленок ЦТС. Впервые изготовлены" и исследованы тонкопленочше конденсаторные структуры СЭ-Ш на диэлектрических подлояках.

Разработаны и изготовлены структуры СЭ-Ш различного функционального назначения, которые были использованы в качестве элементов памяти, управляемых резисторов с памятью, дозиметров излучения, счетчиков импульсов света, фотоприемников, термочувствительных элементов с перестраиваемыми характеристиками.

Практическая ценность работы заключается в развитии и углублении представлений о физических явлениях на границе раздела сегнетоэлектрик-полупроводник, позволивших сформировать структуры СЭ-ПП различного функционального назначения. Предложенные в работе модели позволяют прогнозировать характеристики структур СЭ-ПП при различных внешних воздействиях, осуществлять оптимальный выбор материалов и технологии нанесения отдельных слоев.

Разработана технология получения различных типов структур сегнетоэлектрик-полупроводник, включающая нанесение как полупроводниковых, так й сегнетоэлектрических пленок вакуумными методами. Проведенные комплексные исследования многослойных структур показали их эффективность при создании управляемых резисторов и конденсаторов с памятью, фотоприемников с памятью, дозиметров излучения, термочувствительных элементов с перестраиваемыми характеристиками. Оригинальность предложенных технических решений подтвервдена семью авторскими свидетельствами на изобретения.

Опытные партии структур сегнетоэлектрик-полупроводник прошли апробацию в ряде организаций, например, в составе измерительных систем контроля и обработки оптической информация, разработанных ПО "Завод Арсенал", НПК "Прогресс", АО "ЦКБ Рита", ШП "Деймос", п/я Г-4141, НИИ ГИРИКОВД и др., и показали свою эффективность, что подтверждено рядом актов об использовании результатов диссер-

тационной работы. Кроме того, материалы работы использованы в ряде дисциплин ("Материалы и компоненты функциональной электроники", "Функциональная электроника" и др.), включенных в учебные планы СПбГЬТУ при подготовке студентов по специальностям 200.100 и 200.200 и отражены в соответствующих методических разработках.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Поверхностный потенциальный рельеф, являющийся следствием далидоменного строения сегнетоэлектриков, приводит к неоднородной модуляции концентрации носителей заряда в полупроводнике, которая может носить либо регулярный, либо хаотический характер в зависимости от используемых сегнетоэлектриков. В монокристаллических одноосных сегнетоэлектриках рельеф образуется разнополярным поверхностным поляризационным зарядом, создаваемым доменами с противоположным направлением поляризации, а в поликристаллических материалах с хаотической ориентацией полярных осей кристаллитов изменение поверхностного потенциала носит случайный характер.

2. Кратность изменения проводимости резистора или емкости структуры зависит от плотности состояний на границе раздела сег-нетоэлектрик-полупроводник и напряженности поляризующего шля и определяется как зарядом остаточной поляризованности сегнетоэлек-трика, так и зарядом, инжектированным на поверхностные состояния и экранирующим поляризационный заряд.

3. Структуры сегнетоэлектрик - полупроводник, в которых пленка полупроводника находится в состоянии обеднения носителями 'заряда, обладают эффектами остаточной фотопроводимости или остаточной фотоемкости, обусловленными разделением неравновесных носителей заряда на рекомбииационных барьерах и их накоплением вблизи границы с сегнетоэлектриком. Наблюдаемые эффекты могут быть погашены в результате переключения сегнетозлектрика электрическим полем, приводящего к исчезновению рекомбдаационных барьеров.

4. Температурный коэффициент сопротивления тонкошюночного полупроводникового резистора, сформированного на сегнетоэлектри-ческой подложке, ' может изменяться по величине и знаку в зависимости от степени и направления поляризации подложки и достигать аномально высоких значений при поляризованности сегнетоэл£.-ктрика, соответствующей насыщению.

5. В тонкопленочных резисторах на основе структур сегнетоэлектрик - узкозонный полупроводник, обладающих стабильными вре-

мешшми характеристиками в условиях охлавдения, кратность изменения проводимости при электрическом управлении, остаточная фотопроводимость, аномально высокие температурные коэффициенты сопротивления определяются межкристаллитными потенциальными барьерами в пленке полупроводника, высота которых зависит от поверхностного заряда остаточной поляризованности сегнетоэлэктрика и изменяется при воздействии электрического поля, света и температуры.

6. Изменение остаточной поляризованности сегнетоэлектрической подложки смещает температуры начала и конца фазового перехода металл - полупроводник-в пленке диоксида ванадия, нанесенной на ее поверхность, меняет ширину петли температурного гистерезиса, а также значение порогового напряжения на вольт-амперной характеристике тонкопленочного резистора на основе диоксида ванадия.

7. Основными критериями качества структур сегнетоэлектрик-по-лупроводник являются низкая плотность поверхностных состояний и отсутствие каких-либо инородных слоев на управляющей границе раздела. Требования технологической совместимости материалов при создании многослойных структур СЭ-ПП делают предпочтительным осавдение полупроводниковых пленок на сегнетоэлектрические подложки, или слои.

" 8. МикрорельеЛ поверхности нижнего платинового электрода затрудняет процесс формирования перовскитовой фазы в сегнетоэлект-рических пленках цирконата титаната свинца (ЦТС). Введение углерода в пленку платины при ее осаждении на " подложку методом реактивного ионно-плазменного распыления приводит к получению мелкодисперсной гладкой пленки платины, морфология поверхности которой не меняется при последующей высокотемпературной обработке. Это позволяет формировать на тшсом платиновом электроде однофазные пленки ЦТС субмикронной толщины.

Апробация работы. Основные результаты и научные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуадались на следующих конференциях, совещаниях, школах и семинарах: VIII Всесоюзной конференции по проблемам исследования свойств сегнетоэлектриков (г.Ужгород, 1974 г.), IV Международной конференции по сегнетоэлектричеству (г.Ленинград, 1977 г.), IX Всесоюзном совещании по сегнетоэлектричеству (г.Ростов-на-Дону, 1979 г.), I Всесоюзном семинаре по визуализации и теории доменов в сегнетоэлектрических и родственных кристаллах (г.Волгоград,

1980 г.), IV Конференции социалистических стран по жидким крис-сталлам (г.Тбилиси, 1981 г.), III - vil Всесоюзных семинарах по тепловым приемникам излучения (г.Москва, 1982 г.,1984 г., 1986 г., 1988 г., 1990 г.), I и II Всесоюзных конференциях по физике окисных пленок (г.Петрозаводск, 1982 г., 1987 г.), X Всесоюзной конференции по сегнетоэлектричеству и применению сегнетоэлектри-ков в народном хозяйстве (г.Минск, 1982 г.), I Скандинавской конференции по физике в индустрии (г.Тампере, Финляндия, 1984 г.), XI Скандинавской конференций по полупроводникам (г.Эспо, Финляндия, 1984 г.), VII, VIII, XI, XV семинарах северо-западного региона "Физические и химические явления tía поверхности полупроводников и границах раздела" (г.Ленинград, 1985 г.; г.Петрозаводск, 1986 г.; г.Новгород, 1990 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Сенсор-87" (г.Черновцы, 1987 г.), I Европейской конференции по применению полярных диэлектриков (г.Цюрих, Швейцария, 1988 г.), Международном симпозиуме "МазМес-9СГ (г.Дрезден, ГДР, 1990 г.), VII Международном симпозиуме по применению 'сегнето-электриков (г.Урбана, США, 1990 г.), XIII Конференции по физике сегнетоэлектриков (г.Тверь, 1992 г.), II Семинаре СНГ-США по сегнетоэлектричеству (г.Санкт-Петербург, 1992 г.), I Российской конференции по физике полупроводников (г.Нижний Новгород, 1993 г.), V Российско-японском симпозиуме по сегнетоэлектричеству (г.Москва, 1994 г.), Украинско-американской школе по химии и физике поверхности (г.Киев, 1994 г.), I Европейской конференции по интегрированным' сегнетоэлекгрикам (г.Неймеген, Нидерланды, 1995 г.), XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (г.Иваново, 1995 г.), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (г.Ленинград, Санкт-Петербург, 1976-1997 гг.). •

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 90 работ, включая 4 обзора, оригинальные статьи в отечественных и зарубежных журналах и сборниках, а также доклады на конференциях; получено 7 авторских свидетельств на изобретения. ■

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 321 наименований", и изложена на 244 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работа, формулируется ее цель, кратко излагаются основные решаемые задачи и полученные результаты, приводятся научные положения, выносимые"на защиту.

Первая глава посвящена краткому изложению состояния проблемы. Приводится обзор элементов и устройств на основе многослойных структур, в которых используется эффект переключения сегнетоэлек-триков, включая структуры СЭ-ПП. Комбинация сегнетоэлектрика с другими активным материалами позволяет реализовать 'структуры для преобразования и обработки информационных сигналов электрической, оптической, механической, тепловой и иной природы, у которых вследствие переключения сегнетоэлектрика реализуется функция памяти или изменяются выходные параметры. Для структур сегнето-электрик-полупроводник, пироэлектрик-полупроводник, пьезоэлектрик полупроводник, сегнетоэлектрик-сверхпроводник эффективность функционирования, в первую очередь, связана с проблемой экранирования поверхностного заряда остаточной -поляризованности, пиро-или пьезозаряда, их взаимодействием с контактирующим материалом. Поэтому результаты исследования структур СЭ-ПП могут быть использованы для- описания физических процессов и в других многослойных композициях с полевым управлением, свойства которых зависят от явлений на границе раздела, доменного строения сегнетоэлектрика, экранирования поляризационного заряда и т.д..

Критический анализ литературных данных свидетельствует о том, что отсутствует единая система взглядов на физические явления в структурах СЭ-ПП, не развиты модельные представления, позволяющие адекватно описывать всю совокупность экспериментальных результатов. Сравнение данных разных авторов дает большой разброс параметров, отражающих эффективность управления идентичными структурами, не раскрывает причин высокой временной нестабильности установленных в результате переключения сегнетоэлектрика разнополяр-ными импульсами поляризующего поля значений проводимости тонкопленочного резистора или емкости структуры, что ставит под сомнение возможность их практического применения. Кроме того, такое положение не позволяет осуществить обоснованный выбор материалов как сегнетоэлектрика, так и полупроводника и, применительно к

ним, разработать технологию формирования структуры СЭ-ПП.

Учитывая, что функциональные возможности структур СЭ-ПП могут быть существенно расширены за счет физических процессов, протекающих при внешних воздействиях разной природа, в первой главе рассмотрены и проанализированы те свойства различных сегнетоэлектри-ческих и полупроводниковых материалов, которые могут оказать определяющее влияние на характеристики структур разных типов/ Для сегнетоэлектриков наиболее значимыми являются такие параметры, как температура Кюри (Т0), спонтанная (РБ) или остаточная (Рг) поляризованность, относительная диэлектрическая . проницаемость (е0), коэрцитивное поле (Е0), а также их доменное строение, процессы переключения электрическим полем при различных условиях, усталостные эффекты. При анализе полупроводниковых пленок обращается внимание на особенности их поведения, обусловленные наличием неоднородаостей, связанных с поликристаллической структурой, границами, дефектами и другими причинам, при воздействии освещения и температуры. Указывается на отсутствие ясной перспективы создания структур СЭ-ПП с тонкими сегнетоэлектрическими пленками.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу физических процессов в структурах сегнетоэлектршс-полупроводник при различных внешних воздействиях, который проводился с привлечением результатов экспериментальных исследований, а также литературных данных. Объектами анализа являлись структуры СЭ-ПП резисторного и конденсаторного типов, сформированные на сегнетоэлектричесюк подложках, схематическое изображение которых приведено на рис.1.

элент/ю&ы п6лу/>ро£одник

Рис.1. Схематическое изображение структур сегнэтоэлектрик -полупроводник резисторного (а) и конденсаторного (б) типов

В результате полевого взаимодействия поверхностного заряда остаточной поляризованности сегнетоэлектрика, величина и знак которого могут быть изменены разнополярными импульсами поляризующего напряжения, с носителями заряда полупроводника в пленке происходит либо обогащение, либо обеднение носителями, а значит изменяется проводимость резистора (а) или емкость структуры (С). Эффективность управления в таких структурах характеризуется кратностью изменения проводимости (К0) или емкости (KQ), соответственно. При переключении сегнетоэлектрика по предельному циклу (монодоменное приближение) выражения для кратности резисторной и конденсаторной структур имеют вид:

Ко = W /omln = l1+ <Ps - «чо^Ч no V]/<1" <WV' <1>

Ко = <W ' Cmin " 1 + Со ' °п " - 1+ {(ес /dc) t(2e0 |<ps|)/(q еп nQ)]1/2) , (2)

где (Рд-Оцц) - эффективный поверхностный заряд сегнетоэлектрика, учитывающий плотность заряженных поверхностных состояний 0ПО, экранирующих Ps; q - заряд электрона; nQ - равновесная концентрация основных носителей заряда; d^- толщина пленки полупроводника; d = 12е_8_|(р_I / (qn )]1/2 - пшрина обедненной области про-

VUO U L1 Ц v

странствэнного заряда в полупроводнике; dQ - толщина сегнетоэлек-трической подложки; еп- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; ф3- поверхностный потенциал.

На качественном уровне полученные выражения удовлетворительно отражают связь кратности с параметрами структур и материалов. Однако, значения кратности реальных структур оказывались, как правило, существенно ниже расчетных. Поэтому была предложена модель структуры СЭ-ПП, в основу которой положено существование потенциального рельефа на поверхности сегнэтоэлектрической подложки, обусловленного ее полидоменным строением. Независимо от величины и знака поляризующего напряжения в сегнетоэлектрика сохраняются домены с различным направлением поляризовашости, что наиболее характерно для сегнетокерамики. Тогда разные участки полупроводниковой пленки будут находиться в состоянии с различной степенью обеднения или обогащения в зависимости от знака и величины

поверхностного поляризационного заряда отдельных доменов. Если полупроводниковая пленка достаточно тонкая (толщина соизмерима с глубиной проникновения электрического поля в полупроводник), .ее свойства могут быть описаны закономерностями, характерными для неоднородных полугроводииков.Проводшость такой пленки на подложке с полидоменным строением описывается выражением

о = ос ехр [- Эда /<М)1 , (3)

где о0 - проводимость однородной пленки; к - постоянная Больцмана; Г - температура; Эда - высота дрейфового барьера.

Величина Эда определяется свойствами полупроводникового и сегнетоэлектричаского материалов, а также зависит от знака поляризационного заряда и степени поляризоваяности сегнетоэлзкгричес-кой подложки. В связи с этим кратность изменения проводимости резисторной структуры при переполяризации сегнетоэлектрика по предельному или частному циклу определяется изменением высоты дрейфового барьера АЭ^ и монет быть описана выражением

К0 = о1 / о2 = ехр [|АЭда| /(КС)] . ,,(4)

Из температурных зависимостей проводимостей о1 и о2 , значения которых соответствовали различной по величине и направлению поляризации подложки, была определена высота дрейфовых барьеров. Это позволило по выражению (4) рассчитать кратность изменения проводимости, величина которой црактически совпала с измеренной экспериментально. Очевидно, что чем выше степень изменения поляризованное™ сегнетовлвктрической подлоккии, тем больше ДЭ^, тем выше К0 . Связь мевду проводимостью тонкоплоночного резистора и доменным строением подложки нашла прямое подтверждение в эксперименте при исследовании структуры ТГС-Те, в которой визуализация доменного строения триглицинсульфата проводилась с помощью нема-тических жидких кристаллов. Учет полидоменного строения сагнето-электрическоЯ подложки в конденсаторных структурах приводит к уменьшению кратности изменения емкости структуры при переключении, что также отражено в соответствующих выражениях.

'Показано, что в ряде случаев изменение проводимости поликристаллических пленок узкозонных полупроводников поело переключения

сегнетоэлектрической подложки обусловлено изменением шсоты меж-кристаллитных барьеров, определяющих свойства структур СЭ-ПП особенно при низких температурах.

Впервые проведен анализ фотоэлектрических явлений, который свидетельствует о возможности оптической записи информации в состоянии обеднения пленки полупроводника носителями заряда. При этом используются эффекты . остаточной фотопроводимости (ОФП) и остаточной фотоемкости (ОФЕ) резисторной и конденсаторной структур СЗ-ПП, соответственно. ОФП и ОФЗ связаны с разделением неравновесных .■носителей заряда на потенциальных барьерах, препятствующих рекомбинации, и их накоплением вблизи границы раздела СЭ-ПП. Постоянная времени релаксации проводимости или емкости в этом случае может достигать аномально высоких значений 105- 10б с при комнатной температура и определяется высотой рекомбинационных барьеров. Отличительной особенностью структур СЭ-ПП является возможность гашения ОФП и ОФЕ импульсами электрического поля, в результата чего обеспечивается стирание ранее записанной информации и запись новой. Показано влияние свойств сегнетоэлектрических и полупроводниковых материалов на фоточувствительность и кратность ОФП и ОФЕ для структур на их основе. Предложенные физические модели непротиворечиво объясняют данные экспериментов.

Анализ температурных зависимостей сопротивления резисторов на сегнетоэлектрических подложках продемонстрировал возможность создания термочувствительных элементов (ТЭ) с перестраиваемыми ха-рактеристлсами на базе структур СЭ-ПП. Управление основано на использовании модуляции сопротивления пироэлектрическим зарядом подложки. Температурный коэффициент сопротивления (а^) полупроводникового резистора и характер его изменения от температуры на пироактивной подложке в существенной мере определяются изм&иением пироэлектрического заряда на границе раздела СЭ-ПП.

.Знак и величина Од полупроводникового резистора зависят от направлениями степени поляризованности подлохаси. Значение а^ пленочного резистора пропорциональна пироэлектрическому коэффициенту (7 ) сегнетоэлектрической подложки, уменьшается с ростом ее диэлектрической проницаемости (е0), зависит от концентрации носителей заряда и толщины пленки полупроводника, а также величины дополнительного сопротивления, включенного между управляющим электродом и одним из электродов резистора (рис.1), Изменение

этих параметров позволяет варыцхкл ь а^ а широких пределах.

Подтверждение правомерности наложенных положений было получено как при изучении временных и температурных зависимостей изменения сопротивления тонкопленочшх резисторов на структурах ТГС-Те, так и при исследовании связи между с^ и положением доменной стенки Сидоманного кристалла ТГС в области резистора, которое изменялось гри воздействии электрического поля (рис.2).

Рис.2. Схематическое изображение тонкопленочного резистора на бидоменной области подложки из ТГС (а) и зависимость его с^ от коорданатн доменной стенки У. в направлении ширины резистора (б).

В третьей глава проводится обоснование принципов выбора материалов с точки зрения их физико-химической и технологической совместимости, а также функционального назначения структур СЭ-ПП. Критериями качаства структур, управляемых электрическим полем, являются низкая плотность поверхностных состояний и отсутствие каких-либо инородных слоев на границе раздела СЭ-ПП. Показано, что одним из основных факторов, ограничив авдих применение тех или иных полупроводниковых материалов, следует считать возможность их осаждения без нарушения ста июметрического состава кислородосо-держащих сегнетоэлектрических подложек. Причиной деградации подложек может быть, например, частичная потеря кислорода или оксида свинца при их нагреве в вакууме в процессе нанесения полупроводникового слоя. Поэтому предпочтение нужно отдавать таким материалам, получение пленок которых возможно либо при относительно низкой температуре, либо в кислородосодержащей среде. Это могут быть узкозонные полупроводники (Те, РЬБе, РЬТе), полу-проводаиковые оксиды (БпОа_х, Тп^О^, У02_х) и другие материалы.

Сформулированы основные требования к сегнетовлектрическим

подложкам для структур СЭ-ПП различного функционального назначения, среди которых высокие и стабильные значения остаточной поля-ризованности, малые коэрцитивные поля и времена переключения, а для конденсаторных структур еще и высокие значения диэлектрической проницаемости. Приведены основные характеристики использованных сегнетоэлектриков, таких как ниобат бария-стронция (ИБО) -Ва^^_3ЛЬ206 разных составов, триглицинсульфат (ТГС), германат свинца - РЬ^е^О.,.,, титанат бария - ВаТ10э, сегнетокерамика на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС) и варикондовая керамика разных составов. Отмечаются ограничения на технологические режимы формирования структур СЭ-ПП и особенности их применения, связанные со свойствами материала сегнетоэлектрических подложек. Для термочувствительных резисторных структур выбор материала подложки необходимо проводить с учетом его пироэлектрического коэффициента, а для конденсаторных структур эффективны только те материалы, которые имеют высокие значения диэлектрической проницаемости.

• Впервые проведены исследования процессов переключения' сегнетоэлектриков в широком диапазоне температур, получены зависимости, .остаточной поляризованности от температуры и величины поляризующего электрического поля. Показано, что для структур СЭ-ПП, работающих в условиях охлаадения, целесообразно использовать монокристаллы ТГС, НБС-39, ШС-67 и сегнетокерамику ЦТСЛ-8.

Анализ свойств перечисленных сегнетоэлектрических материалов позволяет заключить, что для структур СЭ-ПП различного назначения наибольший интерес представляют монокристаллические ИБС и ТГС и горячепрессованная сегнетокерамика на основе ЦТС разных составов.

Для полупроводниковых пленок, кроме технологической совместимости при осаздении на сегнетоэлектрические подложки, сформулированы требования к их характеристикам, вытекающие из принципов действия, условий работы и функционального назначения структур СЭ-ПП. Среди них: возможность получения пленок с заданной концентрацией носителей и спектральной чувствительностью, высокой подвижностью, малой плотностью дефектов, стабильностью параметров в рабочем диапазоне температур и т.д.. Кратко описываются свойства использованных полупроводниковых планбк: 3п0^х, СйЕ,

СйЗе, а-31:Н, Те, РЪБе, РЪТе и др., метода и режимы их нанесения. Отмечается, что пленки У02_х с фазовым переходом металл-пцдупроводник в структурах СЭ-ПП применяются впервые.

Четвертая глава посвящена рассмотрению вариантов конструкций элементов и устройств различного функционального назначения на основе структур СЭ-Ш резисторного и Конденсаторного типов, технологии их изготовления, а такжэ методик исследования.

Тек как основным фактором, ограничивающим возможности уменьшения геометрических размеров структур СЭ-ПП, является толщина сегнетоэлектрической подложки, для разных материалов лежавшая в пределах 0,15 - 0,8 мм, то формирование рисунка элементов может проводиться с помощью свободных масок. Разработанные варианты конструкций имели пленарные размеры элементов резисторного и конденсаторного типа от 1 до 8 мм. Конфигурация резисторов определялась поверхностным сопротивлением пленки полупроводника. Коэффициент формы резистора, как правило, выбирался меньше 1 при расстоянии мевду электродами 0,2 - 0,5 мм. Уменьшение геометрических размеров разисторных структур возможно при их формировании на монокристаллических подложках. Для дегнетокерамики дополнительные ограничения связаны с размером хаотически ориентированных кристаллитов. Для воспроизводимости параметров структур необходимо, чтобы на длине резистора укладывалось не менее десятка зерен, т.е. обеспечивалось некоторое усреднение изменения поверхностного заряда остаточной поляризованности. Защита структур ОЭ-Ш от воздействия окружающей среды осуществлялась как путем помещения их в стандартные корпуса полупроводниковых приборов или микросхем, так и путем нанесения специальных защитных покрытий. Наряду с традиционными, было предложено применять в качестве защитных покрытий пленки на основа полкашдошидов, которые показали свою эффективность при создании бескорпусных элементов памяти.

Рассмотрены' все технологические стадии изготовления резистор-ных и конденсаторных структур СЭ-Ш1, включая подготовку сегнето-электрических подложек,, нанесение пленки полупроводника и тонкопленочных электродов, защиту структур и их корпуеирование. Особое внимание уделяется качеству подготовки поверхности подложек, включающей операции шлифовки, полировки, очистки и отжига. Обосновано использование платины и золота для изготовления электродов в Структурах разных типов, выполненных на различных подложках. Разработанные технологические режимы нанесения полупроводниковых пленок и электродов технологически совместимы с соответствующими сегнетоэлектрическими подложками. Показано, что при анализе вое-

производимое™ электрофизических параметров полупроводниковых пленок, полученных в одном технологическом режиме, необходимо учитывать влияние доменного строения сегнетоэлектрических подложек на их свойства.

Использованные методики исследования были реализованы на спроектированных и изготовленных измерительных стендах, предназначенных для определения электрофизических характеристик применявшихся сегнетоэлектрических подлокек и полупроводниковых пленок, а также структур СЭ-ПП при различных внешних воздействиях. Измерение параметров материалов сегнетоэлектрических подложек проводилось на тестовых конденсаторных структурах с Pt и Au электродами при использовании осциллографической и импульсной методик. Применение импульсной методики позволило выполнить исследования временных и полевых характеристик при переключении сегне-тоэлектриков в широком диапазоне температур.

Комплексные исследования структур СЭ-Ш при различных внешних воздействиях проводились с использованием ряда оригинальных методик, таких как: изучение с помощью нематических. жидких кристаллов процессов переключения структур СЭ-ПП и влияния доменного строения подложки на их фото- и термочувствительность; гашение остаточной фотопроводимости и фотоемкости в структурах СЭ-Ш парными разнополярными импульсами переголяркзуицвго поля; разрушающее оптическое считывание информации в конденсаторных структурах СЭ-ПП и др., которые были разработаны в ходе выполнения работы.

В пятой главе рассматриваются свойства и основные параметры резисторов и конденсаторов с памятью на основа структур . СЭ-ПП, управляемых электрическим полем, фотоприемников различных типов, термочувствительных элементов с управляемыми характеристиками. Анализ результатов экспериментальных исследований управляемых резисторов и конденсаторов с памятью на основе структур СЭ-ПП, выполненных с использованием различных материалов, показал хорошее согласие с предложенными моделями. Так, при работе в нормальных условиях максимальные значения кратности изменения сопротивления 103 - 105 были получены на структурах ЦГСНВ-1 - Sn02_z (рис.3) и НБС-39 - SnOg_x, а кратности изменения емкости, равные 4, - на структурах I£TCJI-8 - Бп02_х (рис.4). В структурах с узкозонными полупроводниками, например, TTC - Те, превышают 104 при работе в условиях охлаждения.

/Г, ■0*

а*

А/

»-о—&

/

.м

С, лР/т*

А

Хш

С>

'-дв-ел 0 у*

Рис.3. Временные зависимости уровней сопротивления резистор-ных структур ЦТСНВ-1 - 2п02_х с разной концентрацией носителей заряда в пленке 3п02_х (1,2).

Рас.4. Зависимость емкости. ' структур ЦТСЛ-8 - Бп02_х (1) и НБС-25 - БпОг_х (2) от величины поляризую^го поля.

Установлена связь между кратностью и параметра»® импульса поляризации Кд - 1 = В 1 ехр(-е/Ец), где т и Ец - длительность й напряженность импульса поляризующего поля, В и 0 - численные коэффициенты. Выявленная'закономерность указывает на возможность многоуровневой записи информации. Приведены расчетные и экспериментальные значения ряда параметров резисторов и конденсаторов с памятью.

Анализ результатов исследования фотоцривмников с памятью на. основе различных структур СЭ-ПП показал, что максимальные значения кратности Кофд и К0фЕ зависят от эффективности электрического управления темновой проводимостью, или емкостью структуры и связаны, в основном, с изменением |срв| при воздействии оптического излучения на структуру, находящуюся в состоянии обеднения (см.1,2). Исследование кинетики спада 0®1 от дозы облучения свидетельствует о накопительной способности структур по отношению к числу поглощенных квантов, приводящей к понижению !%£)• Это ограничивает дозу облучения, при которой ОФП характеризуется большими временами релаксации (рис.5). Спектральный диапазон чувствительности фотоприемников определяется шириной запрещенной зоны используемого полупроводника. Поэтому для работы' в ИК-диапазонэ применялись структуры с узкозонными полупроводниками (Те, РЪБе), свойства которых при низких температурах аналогичны описанным выше (рис.6).

Ji 6r /50

/00 50

rJ, J--

JT*

ГГ^ г£

II J-2 ПН ММ 1 1 1

Ю 20 30 ¿<7

Рис.5. Изменение проводимости фоторезистора НБС-39- Бп02__х под действием импульсов света с длиной волны 337 нм и длительностью 9 не (1) и 5 с (2) при равных дозах облучения в импульсе.

<$т 6

4 г

Кс m,

4

Г

'6min е/мужы с$е/ Гк 1Г> т>а а

* t.

/vcw

Рис.6. Изменение проводимости фоторезистора со структурой TTC- Те под действием импульсов поля Ед= +3 кВ/см и света с длиной волны 3,39 мкм при температуре 100 К.

Возможность многократной перезаписи оптической информации в таких фотоприемниках реализуется при переключении сегнетоэлектри-ческой годлопси разнополярными импульсата напряжения (рис.6).

Основные характеристики фотоприемников с памятью для структур на основе разных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Спектральный Примерная.. Макси- Макси-

Структура т -раб.тах' диапазон, максималь- маль- маль-

сэ-пп К, мкм ная доза ная ная

°С D, Дж/см2 К0ФП ^ОФЕ

НБО-39 - Sn02. -х 60 0,33 - 0,55 5 10"3 2 102 4,5

НБО-25 - Sn02. 40 0,33 - 0,55 10"э 7 10~2 20 4,2

ЦТСНВ-1- SnOg. -х 100 0,33 - 0,55 Б 3,3

ЦГСЛ-в - SnOg -X 75 0,33 - 0,55 7 10~2 Б 3,0

ЦТОЛ-8 - Те - 100 1,3 - 4 Ю-* 1.Б -

НБО-39 - Те - 100 1,3-4 2 Ю-3 1,3 -

ТГС - Те - 100 1,3-4 3 Ю-3 4 -

Установлено, что аналогичные тонкопленочные полупроводниковые резисторы, сформированные на пассивных диэлектрических подложках, или находящиеся в состоянии обогащения, не обладают описанными эффектами ОФП и. ОФЕ. Это свидетельствует об определяющей роли сегнетоэлектрической подложки в создании области обедненной носителями заряда в пленке полупроводника.

Исследование фоточувствительных конденсаторных структур СЭ-ПП продемонстрировало возможность использования более толстых полупроводниковых пленок, причем с увеличением их толщины до . определенных пределов (до 250 - 300 нм - для структур НБС-25 - 3п02_х)■ значение К^ возрастает. Проведенные на конденсаторных структурах измерения фото-Э.Д.С. при воздействии импульсов облучения с дозой, превышающей максимально допустимую для записи информации, позволили оценить исходные значения |ф3| в состоянии обеднения и их изменение после освещения |<р31|- Кроме того, был предложен новый оптический способ считывания ранее записанной в этих структурах оптической информации, основанный на зависимости значения фото-Э.Д.С. от дозы облучения информационного сигнала. Этот способ позволяет проводить считывание оптической информации, записанной в виде потенциального рельефа на границе раздела СЭ-ПП.

Исследования структур СЭ-ПП резисторного типа при изменении температуры и воздействию! модулированного теплового потока показали возможность создания на их основе термочувствительных элементов с управляемыми характеристиками. Установлено, что в состоянии компенсации поверхностного заряда Рг сегнетоэлектрика значение с^ полупроводникового резистора возрастает с увеличением 7р, неходкого сопротивления резистора Н. и площади приемной площадки Б. Величина а^ зависит от степени поляризованности сегнетоэлектрической подложки, а его знак определяется направлением Рр. Так, при повышении температуры изменяется величина поверхностного заряда остаточной поляризации и на границе раздела возникает не-скомпенсированный заряд, по знаку противоположный знаку поверхностного заряда сегнетоэлектрика. Носители экранирующего заряда закреплены на глубоких ловушках в приповерхностном слое подложки, их релаксация затруднена и поле, создаваемое ими, модулирует про-, водимость резистора. Величина термочувствительности таких

элементов превосходит чувствительность большинства полупроводниковых болометров и может регулироваться поляризующим подлогу

электрическим полем (рис.2). Осноеныэ параметры таких термочувствительных элементов, полученные- на основе экспериментальных данных, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Структуры СЭ-ПП Знак заряда рг Б, мм2 нм и. ом В/Вт и, рад/с од, К"1

ТГС-Те + 9 60 ю5 3230 6,28 -0.2

НБС-39-Те + 9 50 1.4 106 3500 6,28 -0,2

ЦТСЛ-7-8Ш2_х . - 9 БО Ю7 3310 6,28 -0,21

1ГГСЛ-8-Бп02_Х - 9 50 1,25 107 7100 6,28 -0,45

Обнаружено, что значительной термочувствительностью обладают структуры, у которых в качестве подложек использованы ТГО, НБС и алектрооптическая керамика ЦГСЛ-7, ЦТСЛ-в. Для всех структур изменение тока через кленку полупроводника с изменением температуры носит переходный характер. Использование пленок диоксида олова, для которых в широком диапазоне мокно варьировать такие параметры как п0 , <3^, позволяет получить значения о^ более 0,8 К-1.

Существешюе увеличение а^ было достигнуто при низких рабочих температурах на структурах с использованием узкозонных полупроводников (Те, РЬЗе), в которых большую роль начинают играть потенциальные барьеры на границах кристаллитов. Предложен эффективный способ повышения термочувствительное™ ( в 1,5 - 2 раза) и стабильности характеристик полупроводниковых резисторов на сегне-тоэлектрических годлоиасах путем приложения смещающего напряжения к управляющему электроду и одному из электродов резистора.

В шестой главе рассматриваются функциональные . возможности структур СЭ-ПП и приводятся примеры их практической реализации. Управляемые электрическим полем и светом структуры СЭ-ПП могут быть использованы для создания на их основе элементов памяти, упоавляемых резисторов с памятью, счетчиков импульсов поля и света, дозиметров оптического излучения, термочувствительных резис-

торов с перестраиваемыми характеристиками и других преобразовательных элементов и устройств.

На основе структур ЩСНВ-1 - 3п02_х были разработаны и изготовлены резисторные балансные пары, которые прошли успешные испытания в качестве элементов репрограммируемой памяти, сохраняющих информацию при отключенном питании, а так же управляемые резисторы с памятью. В разработанных устройствах для ввода информации, содержащих электретный электромеханический преобразователь, управляемые резисторы на основе структуры СЭ-ПП были успешно использованы в качестве согласующих элементов. Показано, что реальное расширение функциональных возможностей структур может быть достигнуто нестандартным выбором полупроводникового материала. Впервые получены структуры СЭ-ПП с пленками диоксида ванадия, обладающими фазовым переходом металл-полупроводник, которые были использованы для создания переключателей, управляемых электрическим полем, а также температурных преобразователей для систем противопожарной защиты.

Наибольшее практическое значение, на наш взгляд, имеют разработанные впервые и пока не имеющие аналогов за рубежом фотоприемники с памятью на основе структур СЭ-ПП. Высокое быстродействие по записи информации, значительная кратность ОФП и ОФЕ, возможность эффективного гашения и последующей записи информации позволили реализовать на их основе счетчики импульсов лазерного излучения, дозиметры облучения для различных спектральных диапазонов. Кроме того, показана возможность применения различных типов фотоприемников с памятью в устройствах с репрограммируемой памятью и иеразрушающим считыванием информации.

Исследования термочувствительных элементов на основе резис-торных структур СЭ-ПП показали, что по сравнению с конденсаторными шроприеыниками они обладают высоким уровнем выходного сигнала, позволяющего исключить каскад последующего усиления, относительно малым выходным сопротивлением, возможностью изменения тер-мочувстнительносга в широких пределах. Установлена связь с^ с концентрацией носителей заряда и показано, что уменьшение концентрации носителей заряда в пленке полупроводника позволяет увеличить температурный коэффициент сопротивления до 1 - 10 К-1. Рассмотрены и другие способы повышения термочувствительное™.

Седьмая глава посвящена проблеме формирования на диэлектрических подложках сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца (ЦТС) и многослойных структур на их основе с учетом физико-химической и технологической совместимости слоев. Применение сегнетоэлектрических пленок в микроэлектронике показывает, что наибольшая эффективность как по параметрам переключения, так и по степени интеграции достигается при использовании пленок толщиной 0.1-0,3 мкм. Поэтому в число основных контролируемых характеристик необходимо включать не только структуру и состав сегнетоэлектрических пленок, но и морфологию их поверхности и поверхности нижнего электрода. На основании анализа методов осавдения пленок ЦТС был выбран метод ионно-плазменного ВЧ-распыления, который хорошо вписывается в технологию получения многослойных структур.

Еленки ЦТС наносились на различные подложки с нижним платиновым электродом на установках магнэтронного и диодного ВЧ-распыления метеной Pb(ZrxTi1разных составов при давлении 6,5-10 Па газовой смеси 76ЯАг + 24Ж02, мощности ВЧ-разряда 100 - 250 Вт и температурах подложек от 130°С до 320°С. Рентгенографический анализ пленок ЦТС показал, что после осаждения они имели аморфную или поликристаллическую пирохларную структуру, фазовое превращение которой в перовскитовую происходило в процессе последующего откига на воздухе при 550 - 700°С. Нижний платиновый электрод толщиной 50-150 нм осажд&чся методом ионно-плазменного распыления платины при температурах подложки 300°С или 550°С.

Морфология поверхности пленок платины и ВДС изучалась по микротопографическим изображениям поверхности, полученным на растровом туннельном профилометре РПТ-1. Пленки платины, осажденные при 300°С, характеризовались исходной гладкой поверхностью (рис.7а), которая после термообработки на воздухе при 550 - 700°С претерпевала существенные изменения (рис.76). В слоях толщиной 150 нм высота холмиков достигала 1000 нм. Пленки платины, осажденные при температуре 550°С, имели непосредственно после нанесения средний размер шероховатости 120 - 150 нм при толщине слоя 100 нм, который практически не изменялся при последующих термообработках.

Было обнаружено, что развитый микрорельеф поверхности платинового подслоя не позволяет получить однофазные перовскитовые пленки ЦТС, что подтверждается результатами как рентгенографические, так и оптических исследований. Таким образом, для получения

4 мкм 4 мкм

а) б)

Рис.7. Микротопографические изображения поверхности платиновых пленок толщиной 150 нм, осавденных на ситалловые подложки при тешературе 300°С, непосредственно после нанесения (а) и после термообработки при 700°С на воздухе в течение одного часа (0).

однородных субмикронных пленок ЦТС необходимо иметь средний размер шероховатости поверхности нижнего электрода примерно на порядок меньше толщины слоя ЦГС. Для уменьшения микрорельефа и стабилизации структуры Pt пленок при термообработке было предложено вводить в пленку углерод путем распыления платиновой мишени в газовой смеси Аг + СН4. Такие пленки платины, осааденные при температурах 300°С или 550°С, имели средний размер шероховатости менее 15-20 нм, причем морфология поверхности.оставалась стабильной и после термообработки на воздухе при температуре 700°С,

Изучение кристаллизации пленок ЦТС толщиной от 80 до 160 нм на ситалловых подложках показало, что использование гладких стабилизированных платиновых пленок толщиной 100 нм позволяет получать однофазные шэнки ЦТС при температуре термообработки 600°С.'

Пленки ЦГС толщиной Б00 нм, осажденные при температуре 130°С на ситалловые подложки с Pt электродом, стабилизированным углеродом, характеризовались остаточной поляризованностью 10 мкКл/см2, коэрцитивными полями Ес < 60 кВ/см, высокой нелинейностью диэлектрической проницаемости и тангенсом потерь менее 0,03.

Впервые сформированы тонкопленочные конденсаторные структуры СЭ-ПП (Pt - ЦТС - Sn02_x - Pt) на ситалловых подложках. Результаты исследования вольт-фарадных характеристик таких структур показали, что на та основе могут быть реализованы управляемые конденсаторы с памятью, сохраняющие информацию при отключении питания и имеющие напряжения переключения не.более 6 В. При освещении на этих структурах тага® наблюдался эффект остаточной фотоемкости.

В заключении изложены основные результаты и выводы по работе.

1. Анализ литературных данных и результатов проведенных экспериментальных исследований структур сегнетоэлектрик-полупро-водник позволил предложить и разработать модель, в основу которой впервые положено предположение о существовании поверхностного потенциального рельефа сегнетоэлектрической подложки, обусловленного ее полидоменным строением и приводящего к существенной неоднородности пленки полупроводника как вдоль границы раздела СЭ-ЛП, так и по толщине. На примерах структур СЭ-ПП разного типа, выполненных с использованием различных материалов, показано, что в рамках предложенной модели могут быть объяснены основные экспериментально наблюдаемые характеристики этих структур при воздействии электрического поля, освещения и температуры.

2. Установлена связь мевду кратностью изменения проводимости плешей полупроводника и емкости структуры и характеристиками как полупроводникового слоя (структурой, концентрацией носителей заряда, толщиной и др.), так и сегнетоэлектрической подложки (доменным строением,- степенью поляризованности, диэлектрической проницаемостью и др.), что позволяет осуществлять целенаправленный выбор материалов, технологических режимов формирования структур СЗ-ПП для создания элементов и устройств различного функционального назначения. Экспериментально показано, что максимальные значения кратности, при прочих равных условиях, достигаются в случае использования одноосного сегяэтоэлектрика, а для сегнетокерамики определяющее влияние на кратность оказывает переориентация 180° доменов. Это является прямым подтвервдением связи доменного строения сегнетоэлектрической подложки с характеристиками структур.

3. Впервые проведенные исследования фотоэлектрических свойств структур СЭ-ПП как резисторного, так и конденсаторного типов показали, что направление и степень поляризованности сегнетоэлектрической подложки влияет не только на фоточувствитэльность пленки полупроводника, но и позволяет в состоянии обеднения реализовать эффекты остаточной фотопроводимости резистора или остаточной фотоемкости структуры. Так фоторезисторы с памятью на основе структуры НБС-39 - Sn02_x обладают кратностью (Ш более двух порядков с постоянной времени релаксации 106 с при комнатной температуре. Принципиальное отличие данных структур от ранее известных заключается в том, что в них обеспечивается возможность

гашения ОФП и ОФЕ импульсами переполяризующего поля. Это позволяет осуществлять многократную запись и стирание оптической информации в структурах СЭ-ПП. Разработанные физические модели фоточувствительных структур объясняют наблюдаемые явления.

4. Исследования температурных зависимостей сопротивления тонкопленочных полупроводниковых резисторов на сегнетоэлектрических подложках показали,, что величина и знак температурного коэффициента сопротивления (с^) изменяются в зависимости от направления и степени поляризованности подложки или условий экранирования поверхностного поляризационного заряда. Разработана модель термочувствительного элемента на основе структуры СЭ-ПП для случая полной компенсации поляризационного заряда сегнетоэлектрика зарядом в поверхностном слое и получены аналитические выражения, описывающие изменение тока в пленке полупроводника при изменении температуры. Исследование температурных зависимостей сепротивле-ню полупроводниковых пленок на сегнетоэлектрических подложках, поляризованных в сильных и слабых полях, показало возможность управления а^ не только за счет изменения доменного строения подложки после поляризации, но и при изменении сопротивления, включенного между электродом резистора и управляющим . электродом. Предложенная модель хорошо описывает данные эксперимента.

5. Определяющее влияние на характеристики тонкопленочных резисторов на основе узкозонных поликристаллических полупроводников, сформированных на сегнетоэлектрических подложках, оказывают межкристаллитные барьеры, высота которых изменяется при воздействии поверхностного заряда остаточной поляризованности подложки, освещения или температуры. С учетом этого фактора удается удовлетворительно объяснить такие свойства структур как высокие значения кратности изменения проводимости и проявление эффекта ОФП при низких температурах, зависимости температурного коэффициента сопротивления от степени поляризованности подложки и температуры.

6. Обоснованы принципы и осуществлен выбор материалов для 4 структур СЭ-ПП различного функционального назначения. Так, на

основе структур НБС-39 - Бп02_2, ИТСНВ-1 - 5п02_1 получены управляемые резисторы с памятью, у которых кратность изменения сопротивления составляла 103 - Ю5 при высокой стабильности уровней проводимости после переключения подложки. На таких структурах реализованы многоуровневые резисторы с памятью,

управляемые импульсами электрического поля или света.

7. Для формирования многослойных структур методами вакуумного осаждения разработана технология получения пленок разных полупроводников с воспроизводимыми наперед заданными характеристиками в режимах, обеспечивающих технологическую совместимость материалов.

8. Отработана технология получения пленок ЦТС на диэлектрических подложках с нижним платиновым электродом методом ВЧ-распы-ления. Исследованы условия формирования перовскитовой фазы и свойства пленок ЦТС в зависимости от материала подложки, толщины и иных характеристик платинового электрода, толщины пленок ЦТС. Показано, что введение углерода в платиновый подслой приводит к получению мелкодисперсной поликристаллической пленки со средним размером шероховатости 15-20 нм, морфология поверхности которой не изменяется в ходе термообработки при формировании перовскитовой фазы пленок ЦТС. Это позволяет получить однофазные пленки ЦТС субмикронной толщины, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами. Впервые изготовлены и исследоващ тонкопленочные конденсаторные структуры СЭ-ПП на диэлектрических подложках.

9. Комплексные исследования структур-СЭ-ПП проводились с использованием ряда оригинальных методик, таких как исследование процессов переключения структур СЭ-ПП с помощью псматических кид-ких кристаллов, оптический метод контроля однофазности пленок ЦТС и др., которые были предложены в ходе выполнения работы.

10. Разработаны и изготовлены структуры СЭ-ПП различного функционального назначения, которые были использованы в качестве управляемых резисторов с памятью, дозиметров излучения, счетчиков импульсов света, фотоприемников УФ-излучения с памятью, термочувствительных элементов с перестраиваемыми характеристиками. Опытные партии структур сегнетоэлектрш-полупроводник прошли апробацию в качестве согласующих элементов в устройствах ввода информации на Курском заводе "Счетмаш", элементов памяти с неразрушающим считыванием, сохраняющих информацию при отключении питания в НШВТ (г.Пенза) и НЭТИ (г.НЬвосибирск), а также в составе измерительных систем контроля и обработки оптической информации, разработанных ПО "Завод Арсенал", НПК "Прогресс", АО "ВДВ Ритм", НПП "Даймес", ШИ-ГИРИКОНД, РНИИ "Электронстандарт" и т.д., что подтверждено соответствующими актами об использовании результатов диссертационной работы.

• Основные материалы диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Функциональные возможности структуры сегнетоэлектрик-полу-проводник. Аналитический обзор за 1970-1985 гг. / В.П.Афанасьев, В.А.Кротов, А.Е.Мазур и др. - М.: ЦНЙИИ и ТЭИ, 1986. --62 с.

2. Применение структур сегнетозлектрик - полупроводник в устройствах электроники. Аналитический обзор за 1980-1990 гг. / В.П.Афанасьев, Г.П.Нрамар, Е.В.Минина и др. - М.: НТЦ "Информтехника", 1991. - 90 с.

3. Афанасьев В.П., Крамар Г.П., Соснин A.B. Приемники излучения с управляемыми характеристиками на основе структуры сегнето-электрик-полупроводник. Препринт Института физики АН УССР. -Киев: Ш АН УССР, 1991. - 49 с.

4. Афанасьев В.П., Пронин И.П., Соснин A.B. Сегнетоэлектри-ческие пленки для многослойных структур на диэлектрических подложках. Препринт Международного центра "Институт прикладной оптики" HAH Украины. - Киев, 1996. - 54 с.

5. Афанасьев В.П., Панова Я.М., Пасынков В.В. Сегнетокерамика ВК-4 и ЦТС-23 в качестве активной подложки для элементов памяти с неразрушающим считыванием // Электронная техника. - Сер.5. Радиодетали и радиокомпоненты. - 1977.- Вып.1. - С.36-41.

6. Афанасьев В.П., Карпов Л.Д., Панова Я.И. Пленки двуокиси олова, полученные методом реактивного ионно-ллазменного рас-, пыления // Изв.ЛЭТИ: Сб. науч.'тр. / Ленингр. электротех. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). - Л., 1977. - Вып.211. - С.105-111.

7. Afanasjev V.P., Panova Ja.I., Passynkov V.V. The use of ferroelectric ceramics as an active substrate for electric ileld and light controlled semiconductor resistors // Ferroelectrics. -1978. - V.22. - P.793-794.

8. Афанасьев В.П., Панова Я.И. Влияние потенциального рельефа сегнетоэлектрической подложки на свойства тонкой полупроводниковой пленки // ФТП. - 1978. - Т.12. - Вып.З. - С.575-577.

9. Афанасьев В.П. Модель управляемого тонкопленочного резистора со структурой сегнетозлектрик - полупроводник // Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр. / Ленингр. электротех; ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). Л., 1978. - Вып.228. - С.103-108.

10. Афанасьев В.П., Пасынков В.В., Хюбнер И. Исследование' доменной структуры сегнетоэлектриков с помощью жидких кристаллов,

// Изв. ЛЭТИ: СО.науч.тр. / Ленингр. электротех. ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). Л., 1979. - Вып.250. - С.137-141.

11. Афанасьев В.П., Кротов В.А., Панова Я.И. Влияние слоев НЖК на процесс переключения сегнетоэлектричвских кристаллов // Тез. докл. IV Конфер. социалистических стран по жидким кристаллам. - Тбилиси. - 1981. - С.254-255.

12. Афанасьев В.П., Кротов В.А., Панова Я.И. Пироэлектрический приемник излучения с низкоомным выходом // В кн. Тепловые приемники излучения. - Л.: ГОИ, 1981. - С.106-108.

13. Электрические свойства пленок двуокиси ванадия, полученных методом реактивного ионно-плазменного распыления / В.П.Афанасьев, Е.В. Жало, В.А. Кротов и др. // Тез. докл. Всесоюз. конфер. по физике оксидных пленок.- Петрозаводск.- 1982. - С.50-51.

14. Афанасьев В.П., Кротов В.А., Панова Я.И. Фото- и пироэлектрические элементы с памятью на структурах сегнетоэлектрик -полупроводник // Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр. / Ленингр. электроток, ин-т им. В.И.Ульянова (Ленина). Л., 1983. - Вып.322. - С.81-84.

15. Материалы, для термочувствительных резисторов со структурой сегнетоэлектрик - полупроводник / В.П. Афанасьев, В.А. Кротов, Е.В. Минина, Я.И. Панова // В кн. Тепловые приемники излучения. - Л.: ГОИ, 1983. - С.77-78.

16. Афанасьев В.П., Кротов В.А. Элементы памяти на структурах сегнетоэлектрик-полупроводник с электрической и оптической записью информации // В кн. "Вычислительная техника в автоматизированных системах контроля и управления". Межвузов, сб.науч.тр. ПЛИ. Пенза, 1983. - Вып.13. - C.81-8S.

17. Афанасьев В.П., Кротов В.А., Панова Я.И. Влияние сегнето-электрической подложки на температурную чувствительность проводимости пленки полупроводника // В кн. Сегнетоэлектрики и пьезо-электрики: Сб. науч. тр. - Калинин: КГУ, 1984. - С.82-90.

18. Afanasjev V.P.. Crotov V.A., Tuomi Т. The use of ferroelectric - semiconductor atructure Tor creation oi controlled photo- and temperature-sensitive resistors with memory // Proceeding oi 1-st Nordic conference on physics in industry, Finland, Tampere, 1984. - P.80-83.

19. Afanasjev Y.P. Photo - and temperature electrical properties of thin semiconductor films deposited on ferroelectric substrates // VTT Symposium 45. 11th Nordic semiconductor

meeting, Finland, Eapoo, 1984. - P.217-221.

20. Пироэлектрические свойства структуры свгнетоэлектрик-m-лупроводник / В.П.Афанасьев, В.А.Кротов, Е.В.Мшшна и др. // В кн. Электромеханические системы и устройства: Меквуз. сб. науч. тр. ЕЛИ. - Ереван, 1985. - С.33-39.

21. Aianaajev V., Korpela S-, Tuomi T. The Influence of surface layers on the measured refractive Index of ferroelectric materials studied by means of spectroscopic elllpsometry // Ferroelectrlcs. - 1985. - V.65. - P.175-180.

22. Афанасьев В.П., Минина E.B. .Оптимизация выбора материалов для пироэлектрических приемников // йзв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр,/ Ленингр. электротех. ин-т им. В.И. Ульянова (Ленина). - Л., 1986. - Вып.365. - 0.89-93.

23. Оптические свойства 'защитных покрытий из полиамидоимидов / В.П. Афанасьев, В.А. Гусинская, Г.П. Крамар и др. // Электронная промышленность. - 1987. - Вып. 3. - С.48.

24. Фотоцриемники с памятью на основе структуры аморфный гидрогенизированный кремний-сегнетоэлектрик / А.А. Андреев, В.П. Афанасьев, Г.П. Крамар и др. // Тез.докл. III Всесоюз. конф. по вычислит.оптоэлэктронике. - Ереван, - 1987. - 4.1..- С.149-150.

25. Афанасьев В.П., Минина Е.В., Панова Я.Й. Терморезисторы с перестраиваемыми температурными характеристиками // В кн.. Тепловые приемники излучения. Л.s ГОИ, 1988. - 0.35-36.

26. Afanasjev V.P., Kramar G.P., Mlnlna E.V. The functional possibilities ferroelectric - semiconductor structure <// Ferroelectrlcs. - 1988. - V.87. r P.197-204.

27. Устройства отображения информации на структурах сегнето-электрик-полупроводник / В.П. Афанасьев, Г.П. Крамар, В.В. Пасынков и др. // Изв.ЛЭТИ: Сб.науч.тр. / Ленингр. электротех. ин-т им. В.И. Ульянова (Ленина). - Л., 1988. - Вып. 395. - С.49-БЗ.

28. Фоторвзисторы с памятью и электрической подстройкой параметров / В.П. Афанасьев, Г.П. Крамар, Е.В. Минина, Я.И. Панова // Приборы и системы управления. - 1989. - Вып.2. - С.31-32.

29. Afanasiev V.Ï., Kramar G.P., Mlnlna E.V. The иве of ferroelectric - semiconductor structure for creation of electric field and light controlled resistors and capacitors with memory // Ferroelectrlcs. - 1989. - V.93. - P.107.

30. Афанасьев В.П., Минина E.B., Пасынков В.В. Электрические

и фотоэлектрические свойства структур сегнетоэлектрик-полупровод-ник при низкой температуре // Изв. ЛЭТИ: Сб.науч.тр. / Ленингр. электротех. ин-т им. В.И. Ульянова (Ленина). - Л., 1989. -.Вып.414. - С.77-81.

31. А1апаз^еу V.P., Minlna E.V., Panova Ja.I. The use of the electrooptlc ceramics In ierroelectric-semiconductor structures // International symposium "Materials Science for High Technologies." - Dresden, G.D.R. - 1990. - V.1. - P.221.

32. Афанасьев В.П., Минина E.B., Пасынков.В.В. Интерпретация свойств структур металл-сегаетоэлектрик-полупроводник на основе различных модельных представлений // Изв. ЛЭТИ: Сб. науч. тр. / Ленингр. электротех. ин-т им.В.И.Ульянова (Ленина). - Л., 1991. -Вып.433. - С.82-87.

33. АГапазЗе? V.P., Kramar G.P. Multilayer ferroelectric -semiconductor structurea for controlled sensors with memory // Ferroelectrics. - 1993. - V.143. - P.299-304.

34. Формирование и исследование свойств пленок цирконата-ти-таната свинца на .диэлектрических подложках с подслоем платины / В.П.Афанасьев, Е.Ю.Каптелов, Г.П.Крамар и др. // ФГТ. - 1994. -Т.36. - В.6. - С.1657-1665.

35. Diffuse phase transition in PZT thin films on insulating substrates / V.P. Afanasjev, E.Ju. Kaptelov, G.P. Кгатдг et al // The fifth russlan-¡Japanese symposium on ferroelectrlclty: Abstracts. - Moscow. -1994. - P.127.

36. Структура и морфология поверхности платиновых пленок на диэлектрических подлокках при различных условиях формирования. / В.П.Афанасьев, С.В.Богачев, А.З.Казак-Казакевич и др. // Письма в ЖТФ. - 1995. - Т.21. - Вып.6. - С.1-7.

37. Afanasjev V.P., Kaptelov Е.УИ., Kramar G.P., Pronln I.P. Structure, composition, surface morphology of RF-magnetroh sputtering PZT f 11тз // 1 ut European Meeting on Integrated Ferroelectrics. Abstracts. - Nljmegen, The Netherlands, July 3-5, 1995. - P.17.

38. Афанасьев В.П. Проблемы технологической совместимости слоев в структурах сегнетоэлектрик-полупроводник // XIV Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (19-23 сентября 1995 г., Иваново). Тезисы докладов. - Иваново: 1995. - С.303.

39. Афанасьев В.П. Структуры сегнетоэлектрик-полупроводник:

свойства и применение // Радиоэлектроника в С.-Петербург, гос. электротехн. ун-те им. В.И.Ульянова (Ленина) / Сб. науч.трудов. -v С.-Пб.: 1995. - Вып.1. - С.94-96.

40. Афанасьев В.П., Лянгузов A.A., Сазанов А.П. Формирование фотопреобразовательных структур на основе a-Sl:H // Петербургский журнал электроники. - 1995. - N 2. -' С.7-16.

41. Влияние условий формирования тонкопленочной- системы диэлектрическая подложка - платина - цирконат-титанат свинца на структуру, состав и свойства пленок цирконата-титаната свинца / В.П.Афанасьев, С.В.Богачев, Н.В.Зайцева и др. // ЖТФ. - 1996. -Т.66. - Вып.6. - С.160—169. "

42. Афанасьев В.П., Закркевский В.И. Активные диэлектрики в многослойных структурах // Петербургский журнал электроники. -1996. - N 3. - С.29-34.

43. A.c. N 613315 СССР, МКИ4 G 06 I 3/02. Устройство для ввода информации / Афанасьев В.П., Земсков А.П, Панова Я.И. и др. (СССР). - N 2436925; Заявл. 17.12.76; Опубл.30.06.78, Бюл. N 24.

44. A.c. N 737938 СССР, МКИ4 G 06 Р 3/02. Устройство для ввода информации / Афанасьев В.П., Земсков А.П, Панова Я.И. и др. (СССР). - N 2439422; Заявл. 20.12.76; Опубл.05.06.80, Бюл. N 20.

45. A.c. 11 1345983 СССР, МКИ4 Н 01 L 31/10. Фотоприемник / Афанасьев В.П., Панова Я.И., Шахпаронян В.А. (СССР). N 3953703J

, Заявл. 16.09.85; 0публ;17.08.96, Бюл. N 26.

46. A.c. N 1603414 СССР, МКИ4 G 08 В 17/00. Температурный преобразователь / Афанасьев В.П., Жаров С.Н., Крамар Г.П. и др. (СССР). - N 4383832; Заявл. 11.01.88; Опубл.30.10.90, Бюл. N-40. '

47. A.c. N 1786749 СССР, МКИ4 В 22 3? 3/12. Способ изготовления мишени для получения тонких пленок / Афанасьев В.П., Винокуров М.П., Егорова Т.Н. и др. (СССР). - N 4746955; Заявл. 06.10.89; Опубл.17.08.96, Бюл. N 26.

Подписано к печати 12.03.97. Формат 60x84 1/16. Офсетная печать. Печ.л. 2,0; уч.-изд.л. 2,0. Тираж 100 экз. Зак. N Издательско-полиграфический центр ТЭТУ

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5