Тонкие пленки Y3Fe5O12/Ba0,8Sr0,2TiO3: синтез и перспективы интеграции

В статье рассмотрено получение композитной системы, состоящей из тонких ферромагнитных (Y₃Fe₅O₁₂) и сегнетоэлектрических (Ba_0,8Sr_0,2TiO₃) пленок на кремниевых подложках,полученных методом ионно-лучевого осаждения и высокочастотного распыления. Для согласования параметров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения, а также предотвращения химического взаимодействия материалов пленки и подложки в работе использован буферный слой диоксида титана TiO₂ (один из оксидов исходного состава мишени), параметры которого хорошо согласуются с решеткой титаната бария стронция. Исследуются состав, структура и микроструктурные свойства пленок. Показана возможность применения не только в микроэлектронике, но более всего — в микроэлектромеханике, особенно для получения сегнетоэлектрических мембран на кремнии, интегрированных в состав устройств микросистемной техники.

1. Стогний А.И., Серов А.А., Корякин С.В., Паньков В.В. Газоразрядный источник ионов низкого давления с полым катодом и диаметром выходной апертуры 420 мм. Приборы и техника эксперимента. 2008; 2: 162—165.

2. Ponds J.M., Kirchoefer S.W., Chang W., Horwitz J.S., Chrisey D.B. Microwave properties of ferroelectric thin films. Integrated Ferroelectrics. 1998; 22: 317—323. https://doi.org/10.1080/10584589808208052

3. Baniecki J.D., Laibowitz R.B., Shaw T.W., Duncombe P.R., Neumayer D.A., Kotecki D.E., Shen H., Ma Q.Y. Dielectric relaxation of Ba0.7Sr0.3TiO3 thin films from 1mHz to 20 GHz. Applied Physics Letters. 1998; 72: 498—500. https://doi.org/10.1063/1.120796

4. Kozyrev A.B., Ivanov A.V., Samoilova T.B., Soldatenkov O.I., Sengupta L.C., Rivkin T.V. Microwave properties of ferroelectric (Ba,Sr)TiO3 varactors at high microwave power Integrated Ferroelectrics. 1999; 24: 297—307. https://doi.org/10.1080/10584589908215599

5. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials. Nature. 2006; 442: 759—765. https://doi.org/10.1038/nature05023

6. Ma J., Hu J., Li Z., Nan C.W. Recent progress in multiferroic magnetoelectric composites: from bulk to thin films. Advanced Materials. 2011; 23: 1062—1087. https://doi.org/10.1002/adma.201190024

7. Özgür Ü., Alivov Y., Morkoç H. Microwave ferrites. Part 1: Fundamental properties. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009; 20: 789—834. https://doi.org/10.1007/s10854-009-9923-2

8. Johnson K.M. Variation of dielectric constant with voltage in ferroelectrics and its application to parametric devices. Journal of Applied Physics. 1962; 33: 2826—2831. https://doi.org/10.1063/1.1702558

9. Kuylenstierna D., Vorobiev A., Linner P., Gevorgian S. Ultrawide-band tunable true-time delay lines using ferroelectric varactors. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005; 53(6): 2164—2170. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.848805

10. Suherman P.M., Jackson T.J., Tse Y.Y., Jones I.P., Chakalova R.I., Lancaster M.J., Porch A. Microwave properties of Ba0.5Sr0.5TiO3 thin film coplanar phase shifters Journal of Applied Physics. 2006; 99(10): 104101. https://doi.org/10.1063/1.2198933

11. Balinskiy M., Ojha Sh., Chiang H., Ranjbar M., Ross C.A., Khitun A. Spin wave excitation in sub-micrometer thick Y3Fe5O12 films fabricated by pulsed laser deposition on garnet and silicon substrates: A comparative study. Journal of Applied Physics. 2017; 122(12): 123904. https://doi.org/10.1063/1.4990565

12. Sokolov, N.S. Fedorov V.V., Korovin A.M., Suturin S.M., Baranov D.A., Gastev S.V., Krichevtsov B.B., Maksimova K.Yu., Grunin A.I., Bursian V.E., Lutsev L.V., Tabuchi M. Thin yttrium iron garnet films grown by pulsed laser deposition: Crystal structure, static, and dynamic magnetic properties. Journal of Applied Physics. 2016; 119(2): 023903. https://doi.org/10.1063/1.4939678

13. Serga A.A., Chumak A.V., Hillebrands B. YIG magnonics. Journal of Physics D: Applied Physics. 2010; 43(26): 264002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264002

14. Pirro P., Bracher T., Chumak A.V., Lagel B., Dubs C., Surzhenko O., Gornert P., Leven B., Hillebrands B. Spin-wave excitation and propagation in microstructured waveguides of yttrium iron garnet/Pt bilayers. Applied Physics Letters. 2014; 104(1): 012402. https://doi.org/10.1063/1.4861343

15. Das J., Song Y.-Y., Mo N., Krivosik P., Patton C.E. Electric-field-tunable low loss multiferroic ferromagnetic-ferroelectric heterostructures. Advanced Materials. 2009; 21(20): 2045—2049. https://doi.org/10.1002/adma.200803376

16. Özgür Ü., Alivov Y., Morkoç H. Microwave ferrites. Part 2: Passive components and electrical tuning. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009; 20: 911—952. https://doi.org/10.1007/s10854-009-9924-1

17. Yang L., Ponchel F., Wang G., Rémiens D., Légier J.-F., Chateigner D., Dong X. Microwave properties of epitaxial (111)-oriented Ba0.6Sr0.4TiO3 thin films on Al2O3(0001) up to 40 GHz. Applied Physics Letters. 2010; 97(16): 162909. https://doi.org/10.1063/1.3478015

18. Ponchel F., Lei X., Rémiens D., Wang G. Dong X. Microwave evaluation of Pb0.4Sr0.6TiO3 thin films prepared by magnetron sputtering on silicon: Performance comparison with Ba0.3Sr0.7TiO3 thin films. Applied Physics Letters. 2011; 99(17): 172905. https://doi.org/10.1063/1.3656065

19. Guo X., Chen Yi., Wang G., Rémiens D., Ponchel Fr., Zhang W., Lian J., Dong X. Investigation of novel ferroelectric/gyromagnetic ferrite (Pb,Sr)TiO3/Y3Fe5O12 layered thin films with potential applications in magnetically and electrically tuning devices. Materials Letters. 2017; 195: 182—185. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.02.126