Разработка высокоэффективных пьезо- и пироэлектрических материалов для устройств микроэлектромеханики

Цель: разработка подходов и изготовление тонкопленочных полярных материалов, обладающих высокими пьезо- и пироэлектрическими параметрами, необходимыми для создания на их основе микроэлектромеханических и ИК-устройств кремниевой микроэлектроники. Объекты исследования: тонкие слои цирконата-титаната свинца (PZT), соответствующие области морфотропной фазовой границы, сформированные на Pt/TiO₂/SiO₂/Si-подложке, полученные методом ВЧ-магнетронного распыления, а также тонкие слои широкозонных полупроводников SiC, Al(Ga)N, сформированные на подложке кремния. Исследованы структура, состав и физические свойства тонких слоев твердых растворов PZT, сформированных в установке ВЧ-магнетронного распыления с использованием одной керамической мишени при изменении давления рабочего газа в диапазоне 2 - 8 Па, а также расстояния от мишени до подложки в диапазоне 30 - 70 мм. Состав мишени соответствовал области морфотропной фазовой границы (с элементным соотношением Zr/Ti = 54/46), где электромеханические и пьезоэлектрические характеристики достигают максимальных значений. Выявлено, что состав (соотношение Zr/Ti) пленок варьировался в пределах морфотропной фазовой границы в диапазоне ~ 2 - 2,5% при изменении давления рабочего газа и ~ 1,5 - 2% при изменении расстояния. Проведено моделирование процессов рассеяния распыленных атомов в газовой плазме, и показано, что возможности тонкого варьирования состава связаны с различными условиями термализации атомов распыляемой мишени в газовой плазме из-за различия атомных весов свинца, титана и циркония. Установлено, что варьирование расстояния от мишени до подложки (в отличие от варьирования давления рабочей газовой смеси) позволяет формировать однофазную перовскитовую структуру слоев, приводит к изменению диэлектрических параметров тонких слоев, величин внутреннего поля и самопроизвольной поляризации (степени униполярности - важной характеристики для использования пленок в микроэлектромеханике), пьезо- и пироэлектрического откликов. Исследование состава отдельных перовскитовых островков показало, что кристаллизация фазы перовскита из фазы пирохлора происходит при увеличении дефицита свинца в фазе пирохлора, а содержание свинца в перовскитовых островках составляет стехиометрическое соотношение или превышает его. Сделан вывод об отсутствии в тонких пленках PZT свинцовых вакансий и участии только кислородных вакансий в образовании объемного заряда и самопроизвольной поляризации в тонких пленках. Сравнение свойств самополяризованных островковых и сплошных тонких пленок PZT показало, что пьезоотклик и сигнал ГВГ отдельных перовскитовых островков характеризуются сильной радиальной неоднородностью, которая усиливается при уменьшении линейного размера островков. Причиной обнаруженных неоднородностей является релаксация механических напряжений в области островков, прилегающих к границе их раздела с пирохлорной матрицей. Выявлена корреляция изображений сферолитовой перовскитовой структуры тонких пленок, полученных методами ГВГ и РЭМ. Сделан вывод о том, что для повышения пьезоотклика тонких пленок PZT целесообразно их использовать в виде островковой конфигурации. Изучены пиро- и пьезоэлектрические свойства эпитаксиально выращенных методом гибрид-хлоридной газофазной эпитаксии монокристаллических гетероструктур AlN/(Al,Ga)N толщиной от нескольких единиц до десятков микрометров на подложках монокристаллического кремния с буферным слоем карбида кремния (111)SiC/Si. В тонких эпитаксиальных слоях выявлены рекордные пиро- и пьезоэлектрические параметры.