Способ определения в широком диапазоне температур диэлектрических и сегнетоэлектрических характеристик тонкой плёнки релаксорного сегнетоэлектрика SBN60 на полупроводниковой подложке

Описаны перспективы применения бессвинцовых релаксорных сегнетоэлектриков со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы, например ниобата бария-стронция Sr0.6Ba0.4Nb2O (SBN60), в полупроводниковых технологиях при разработке ячеек памяти, пироэлектрических матриц и микроэлектромеханических систем. Методами диэлектрической спектроскопии исследованы диэлектрические характеристики и сегнетоэлектрические свойства тонких (600 нм) плёнок релаксорного сегнетоэлектрика SBN60, а также изучены температуры фазовых превращений в этих плёнках. Тонкая плёнка SBN60 со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы синтезирована на подложке полупроводника Si(001). Для роста плёнок использован метод высокочастотного катодного распыления в атмосфере кислорода. Методом рентгено-дифракционного анализа показано, что плёнки SBN60 являются однофазными, беспримесными и c-ориентированными (параметр элементарной ячейки с=0,3932 нм). По данным атомно-силовой микроскопии рельеф поверхности плёнок однородный, не содержит каверн, пор или иных дефектов поверхности. Разработан способ экспериментального определения диэлектрической проницаемости и степени её дисперсии, который основан на результатах измерения высокочастотных вольт-фарадных зависимостей конденсаторной структуры металл/SBN60/Si(001) при фиксированной температуре из диапазона 83–473 K и позволяет также определить температуры фазовых переходов как из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу, так и между различными сегнетоэлектрическими фазами. Показано, что температура зарождения полярных нанообластей в анализируемой плёнке составляет 383 K. Освещены перспективы использования данного способа для анализа свойств гетероструктур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник.

1. Гриценко В. А., Исламов Д. Р. Физика диэлектрических пленок: механизмы транспорта заряда и физические основы приборов памяти. Параллель, Новосибирск (2017). https://www.elibrary.ru/otdnyb

2. Воротилов К. А., Сигов А. С. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства. Физика твёрдого тела, 54, 843–848 (2012). https://www.elibrary.ru/rcsplb

3. Павленко А. В., Зинченко С. П., Стрюков Д. В., Ковтун А. П. Наноразмерные пленки ниобата бария-стронция: особенности получения в плазме высокочастотного разряда, структура и физические свойства. Издательство ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону (2022).

4. Shvartsman V. V., Lupascu D. C. Lead-Free Relaxor Ferroelectrics. Journal of the American Ceramic Society, 95, 1–26 (2012). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04952.x ; https://www.elibrary.ru/PHYXSH

5. Ivanov S., Kostsov E. G. Uncooled thermally uninsulated array element based on thin strontium barium niobate pyroelectric films. IEEE Sensors Journals, 20, 9011–9017 (2020). https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2987633 ; https://www.elibrary.ru/vrgepz

6. Сигов А. С., Мишина Е. Д., Мухортов В. М. Тонкие сегнетоэлектрические пленки: получение и перспективы интеграции. Физика твёрдого тела, 52(4), 709–717 (2010). https://www.elibrary.ru/rcrudp

7. Mulaosmanovic H., Breyer E. T, Dünkel S. et al. Ferroelectric field-effect transistors based on HfO2: a review. Nanotechnology, 32, 502002 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac189f ; https://www.elibrary.ru/vnzvfh

8. Yoon I., Chang M., Ni K. et al. A FerroFET-based in-memory processor for solving distributed and iterative optimizations via least-squares method. IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits, 5, 132–141 (2019). https://doi.org/10.1109/JXCDC.2019.2930222

9. Павленко А. В., Ильина Т. С., Киселев Д. А., Стрюков Д. В. Фазовый состав, кристаллическая структура, диэлектрические и сегнетоэлектрические свойства тонких плёнок Ba2NdFeNb4O15, выращенных на подложке Si(001) в атмосфере кислорода. Физика твёрдого тела, 65(4), 587–593 (2023). https://doi.org/10.21883/FTT.2023.04.55295.13 ; https://www.elibrary.ru/euobty

10. Zhang J. J., Sun J., Zheng X. J. A model for the C-V characteristics of the metal-ferroelectric-insulator-semiconductor structure. Solid-state electronics, 53, 170–175 (2009). https://doi.org/10.1016/j.sse.2008.10.012 ; https://www.elibrary.ru/kplmmt

11. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. ПетрГУ, Петрозаводск (2004). https://www.elibrary.ru/qmofjd

12. Pavlenko A. V., Stryukov D. V., Kovtun A. P. et al. Synthesis, structure, and dielectric characteristics of Sr0.61Ba0.39Nb2O6 single crystals and thin films. Physics of the Solid State, 61, 244–248 (2019). https://doi.org/10.1134/S1063783419020185 ; https://www.elibrary.ru/hwwkmq

13. Макинян Н. В., Павленко А. В. Диэлектрические характеристики гетероэпитаксиальных тонких пленок Sr 0.60Ba0.40Nb2O6, выращенных на подложке Pt(001)/MgO(001). Физика твёрдого тела, 65(11), 1957–1963 (2023). https://doi.org/10.61011/FTT.2023.11.56550.192 ; https://www.elibrary.ru/huffgb