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.
Для СЭ уравнение Пуассона принимает вид:
,(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.
а) Для СЭ: спонтанная поляризация
25 мкКл/см2, остаточная поляризация 15 мкКл/см2, коэрцитивное поле 2∙105 В/см, концентрация мелких акцепторов 1018 см-3, толщина — 0,1 мкм.
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:
- А. С. Сигов, Физика. Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике, с. 85, Москва, 1996;
- Б. М. Вул, Г. М. Гуро, И. И. Иванчик. ФТП, 4, 162 (1970).
- Б. В. Сандомирский, Ш. С. Хохлов, Е. В. Ченский. ФТП, 16, 440 (1982).
- И. Е. Тамм. Основы теории электричества (М., Наука, 1989).
- С. Зи. Физика полупроводниковых приборов (М., Мир, 1981) т. 1.
- В. М. Фридкин. Фотосегнетоэлектрики (М., Наука, 1979).
- 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
