Высокочастотные вольт-фарадные характеристики мембранных структур на основе Ba1-xSrxTiO3

Изготовление сегнетоэлектрических структур мембранного типа проводилось в несколько последовательных операций. Сначала на кремниевой (100) пластине n-типа толщиной 250 мкм с естественным окислом на поверхностях в растворе плавиковой кислоты состава 70 % (вес.) HF + 30 % (вес.) Н₂О вытравливались лунки и получалась мембранная заготовка. Диаметр выемок в кремниевой пластине у основания составлял 1,2 мм. Затем на плоскую поверхность мембранной заготовки осаждались 300 нм слой Ba_0,8Sr_0,2TiO₃ и контактные электроды. Минимальная толщина подложки из n-Si составила 20 мкм. При комнатной температуре проведены сравнительные измерения высокочастотных вольт-фарадных характеристик объектов металл-сегнетоэлектрик-полупроводник, выращенных на тонкой (20 мкм) и толстой (750 мкм) подложках. Обнаружено изменение емкостных свойств образцов с уменьшением толщины подложки, на которой они сформированы. У выращенных на тонкой подложке объектов, по сравнению со сформированными на толстой, ветви вольт-фарадной характеристики сдвинуты в сторону отрицательных напряжений на 4 В и ширина петли гистерезиса на 3÷4 В больше. Снижение «зажатости» пленки сегнетоэлектрика при уменьшении толщины кремниевой пластины до 20 мкм приводит к росту значения емкости структуры на плато вольт-фарадной характеристики в 1,7 раза и расширению петли гистерезиса на несколько Вольт. Наблюдаемое различие значений емкости на плато свидетельствует о неодинаковости контактов Ba_0,8Sr_0,2TiO₃ с Si в случаях с тонкой и толстой подложками. Сдвиги вольт-фарадных характеристик по оси полевых напряжений, скорее всего, связаны с разными для случаев с толстой и тонкой подложками встроенными зарядами на границах раздела Ba_0,8Sr_0,2TiO₃ — Si.

1. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства. М.: Энергоатомиздат; 2011. 175 с.

2. Park J.Y., Yang K., Lee D.H., Kim S.H., Lee Y., Reddy P.R.S., Jones J.L., Park M.H. A perspective on semiconductor devices based on fluorite-structured ferroelectrics from the materials-device integration perspective. Journal of Applied Physics. 2020; 128(24): 240904. https://doi.org/10.1063/5.0035542

3. Wang B., Huang W., Chi L., Al-Hashimi M., Marks T.J., Facchetti A. High-k gate dielectrics for emerging flexible and stretchable electronics. Chemical Reviews. 2018; 118(11): 5690—5754. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00045

4. Du D., Hu J., Kawasaki J.K. Strain and strain gradient engineering in membranes of quantum materials featured. Applied Physics Letters. 2023; 122(17): 170501. https://doi.org/10.1063/5.0146553

5. Zhang K., Ren Y., Cao Y. Mechanically tunable elastic modulus of freestanding Ba1-xSrxTiO3 membranes via phase-field simulation. Applied Physics Letters. 2022; 121(15): 152902. https://doi.org/10.1063/5.0099772

6. Ko D.L., Tsai M.F., Chen J.W., Shao P.W., Tan Y.Z., Wang J.J., Ho S.Z., Lai Y.H., Chueh Y.L., Chen Y.C., Tsai D.P., Chen L-Q., Chu Y.H. Mechanically controllable nonlinear dielectrics. Science Advances. 2020; 6(10): eaaz3180. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz3180

7. Xu R., Huang J., Barnard E.S., Hong S.S., Singh P., Wong E.K., Jansen T., Harbola V., Xiao J., Wang B.Y., Crossley S., Lu D., Liu S., Hwang H.Y. Strain-induced room-temperature ferroelectricity in SrTiO3 membranes. Nature Communications. 2020; 11: 3141. https://doi.org/10.1038/s41467-020-16912-3

8. Wang B., Lu H., Bark C.W., Eom C-B., Gruverman A., Chen L-Q. Mechanically induced ferroelectric switching in BaTiO3 thin films. Acta Materialia. 2020; 193: 151—162. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.032

9. Иванов М.С., Афанасьев М.С. Особенности формирования тонких сегнетоэлектрических пленок BaxSr1-xTiO3 на различных подложках методом высокочастотного распыления. Физика твердого тела. 2009; 51(7): 1259—1262.

10. Киселев Д.А., Афанасьев М.С., Левашов С.А., Чучева Г.В. Кинетика роста индуцированных доменов в сегнетоэлектрических тонких пленках Ba0.8Sr0.2TiO3. Физика твердого тела. 2015; 57(6): 1134—1137.

11. Goldman E.I., Chucheva G.V., Belorusov D.A. On the form of high-frequency voltage-capacitance characteristics of metal-insulator-semiconductor structures with a ferroelectric insulating layer BaxSr1-хTiO3. Ceramics International. 2021; 47(15): 21248—21252. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.04.129

12. Goldman E.I., Chucheva G.V., Belorusov D.A. The role of а buffer layer at the contact with silicon in structures with an insulating gap made of a material replacing SiO2. Ceramics International. 2024; 50(6): 9678—9681. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.12.286