Анализ сегнетоэлектрических пленок, моделирование гистерезиса МДП-структур на основе сегнетоэлектрических пленок

Уникальные физические свойства сегнетоэлектрических материалов (высокая диэлектрическая проницаемость, изменяемая под действием внешнего электрического поля) позволяют создавать на их основе новый класс структур металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) для устройств хранения и обработки информации, где активным элементом является тонкая сегнетоэлектрическая пленка.

Целью работы является краткий анализ сегнетоэлектрических пленок, методов их получения и моделирование гистерезиса МДП–структур на основе сегнетоэлектрических пленок.

Исключительные свойства тонких сегнетоэлектрических пленок применяются при создании устройств энергонезависимой памяти, динамической памяти с произвольной выборкой, конденсаторов, оптических процессоров, и т. д.

Физические свойства пленки существенно зависят от состояния ее поверхности, стехиометрии, кристалличности, плотности, микроструктуры и кристаллографической ориентации, то есть, в свою очередь, от методов получения пленки. Проблема усложняется также необходимостью высокотемпературного нагрева (~ 600–800° С) для кристаллизации пленок, при наличии в их составе химически активных и летучих компонентов [1].

Методы получения тонких сегнетоэлектрических пленок с каждым днем развиваются всё активнее и постоянно совершенствуются. Методы получения тонких пленок можно разделить на две категории: химические и физические. К химическим относятся метод осаждения из газовой фазы и золь-гель метод. К физическим относят методы, у которых в основе лежит распылении определенной смеси оксидов или более сложное оксидное соединение, так называемые мишени. К химическим методам относят реактивное катодное распыление, жидкофазную эпитаксию, к физическим — термовакуумное напыление, магнетронное распыление, ионно-лучевые методы получения тонких пленок, молекулярно-лучевая эпитаксия, лазерное распыление.

Использование полевых транзисторов (ПТ), изготовленных на основе структур металл-сегнетоэлектрик- полупроводник (МСЭП), было предложено еще в 60-е годы, в настоящее время это направление быстро развивается в связи с растущей потребностью в элементах памяти и успехами технологии.

Одной из принципиальных трудностей создания МСЭП ПТ является деполяризация, т. е. ослабление поляризации в тонких слоях сегнетоэлектрика (СЭ). В полупроводнике заряд, экранирующий поляризацию СЭ, проникает в глубь полупроводника, что приводит к изгибу зон и к появлению поверхностного потенциала , следовательно, деполяризующего поля в СЭ [2–3]. Уменьшение деполяризации является весьма актуальной задачей, ее решению может помочь моделирование структур МСЭП, позволяющее прогнозировать параметры МДП, где в качестве активного диэлектрика используется сегнетоэлектрические пленки.

В настоящее время при разработке МСЭП ПТ используются главным образом перовскитные полупроводники, технологически совместимые с СЭ. В этих ПТ проводимость канала модулируется без образования инверсионного слоя в полупроводнике.

В данном случае моделирование основано на анализе экспериментальной петли гистерезиса зависимости P(E), где E — электрическое поле, для структуры металл-сегнетоэлектрик-металл (МСЭМ). Эта петля аппроксимируется гиперболическим тангенсом. Далее выполняется интегрирование уравнения Пуассона для структуры МСЭП, из которого определяются ее основные характеристики: зависимости величин , , , и P от внешнего напряжения V (здесь  — потенциал поверхности полупроводника,  — заряд в полупроводнике,  — электрическое поле на поверхности полупроводника,  — падение напряжения на сегнетоэлектрике) [4–5]. Принимается, что контакт к СЭ образует барьер Шоттки, контакт к полупроводнику — омический, а также что как СЭ, так и полупроводник легированы мелкими акцепторами. Принимается также, что ток через структуру МСЭП мал и не изменяет поляризации.

,(1)

где  — потенциал,  — диэлектрическая проницаемость вакуума,  — плотность объемного заряда.

а)б)

Рис. 1. Петли гистерезиса структур металл-сегнетоэлектрик-металл (МСЭМ) и металл-сегнетоэлектрик-полупроводник (МСЭП). Концентрация мелких акцепторов в полупроводнике , см-3: а — 1015, б — 1019; остальные параметры одинаковые, толщина сегнетоэлектрика 0,1 мкм, концентрация мелких акцепторов в сегнетоэлектрике 1018 см-3, 10, 25 мкКл/см2, 15 мкКл/см2, 2∙105 В/см. 1,2 — восходящая и нисходящая ветви петли гистерезиса структуры МСЭМ; 3,4 —восходящая и нисходящая ветви петли гистерезиса структуры МСЭП; 5 —, 6 и 7 — для восходящей и нисходящей ветвей соответственно. На вставке — структура МСЭП: СЭ — сегнетоэлектрик, ПП — полупроводник, V — напряжение, приложенное к структуре.

На границе раздела СЭ — полупроводник выполняется соотношение [6]:

.(2)

Здесь  — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,  — заряд поверхностных состояний,  — электрическое поле в сегнетоэлектрике. Распределение электрического поля и потенциала в СЭ определяется численным интегрированием уравнения Пуассона. Расчеты выполнены для структуры металл–сегнетоэлектрик–полупроводник при возрастании напряжения от значения, соответствующего — (обогащение поверхности полупроводника,  — спонтанная поляризация), до значений, соответствующих обеднению поверхности полупроводника, а также при обратном ходе напряжения.

Были приняты следующие значения параметров.

б) Для полупроводника: относительная диэлектрическая проницаемость = 10, концентрация мелких акцепторов = 1015 см-3 и 1019 см-3, заряд поверхностных состояний = 0.

Основные результаты расчетов приведены на рисунке 1 а, б; там же для сравнения приведена насыщенная петля гистерезиса (от - до и обратно) для структуры МСЭМ с таким же СЭ, но при отсутствии примесей в СЭ ( = 0) — линии 1 и 2. На рисунке  — контактная разность потенциалов между контактом к сегнетоэлектрику и полупроводником. Потенциал поверхности полупроводника вычисляется как разность между зависимостями 5 () и 6 ( для восходящей ветви) или зависимостями 5 и 7 ( для нисходящей ветви).

При обогащении поверхности полупроводника ( < 0) ее свойства приближаются к свойствам металла, поэтому восходящие ветви структур МСЭМ и МСЭП близки (линии 1 и 3 соответственно). Значения электрического поля на поверхности полупроводника могут достигать нескольких единиц 107 В/см, однако такие сильные поля существуют лишь в очень тонком слое (порядка нескольких Å), что исключает возможность лавинного пробоя. Переход от обогащения поверхности полупроводника к ее обеднению происходит при (точка пересечений линий 5 и 6), где  — коэрцитивное поле.

При обеднении поверхности полупроводника (> 0) возрастание напряжения приводит к увеличению падения напряжения на полупроводнике (разность между линиями 5 и 6); напряжение на СЭ (а следовательно, и его поляризация) изменяется мало. Эта закономерность выражена более четко для полупроводников с меньшей концентрацией примеси (ср. ход линий 6 на рисунке а и б). При = 1018–1019 см-3 и напряжении в несколько вольт значения поля на поверхности полупроводника могут достигать нескольких единиц 106 В/см, т. е. в несколько раз превышать электрическое поле в кремнии при пробое. Однако подвижность носителей тока в перовскитных полупроводниках много меньше, чем в кремнии. Поэтому есть основание предположить, что в перовскитных полупроводниках электроны (или дырки) на длине свободного пробега не приобретут энергии, достаточной для ударной ионизации.

Сравнение значений остаточной поляризации – и на восходящей и нисходящей ветвях насыщенной петли гистерезиса структуры МСЭМ с соответствующими значениями остаточной поляризации структуры МСЭП показывает, что остаточная поляризация уменьшается под воздействием полупроводника.

Таким образом показана модель петли гистерезиса МДП–структуры, где в качестве активного диэлектрика используется тонкая сегнетоэлектрическая пленка. Продемонстрировано, что остаточная поляризация уменьшается в несколько раз за счёт деполяризующего действия полупроводника.

Литература:

1.                А. С. Сигов, Физика. Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике, с. 85, Москва, 1996;
2.                Б. М. Вул, Г. М. Гуро, И. И. Иванчик. ФТП, 4, 162 (1970).
3.                Б. В. Сандомирский, Ш. С. Хохлов, Е. В. Ченский. ФТП, 16, 440 (1982).
4.                И. Е. Тамм. Основы теории электричества (М., Наука, 1989).
5.                С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, 1981) т. 1.
6.                В. М. Фридкин. Фотосегнетоэлектрики (М., Наука, 1979).
7.                Берман Л.С.  Моделирование гистерезиса структуры метал-сегентоэлектрик-полупроводник / Л.С. Берман //Физико-техническией институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. - Спб. с. 200-202