Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники

Сентябрь 15, 2022

Главная
Физика
Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники

Содержание

2. Повышение качества материалов Параметры доменной структуры Динамика переключения поляризации Размерные эффекты Технологии изготовления новых типов наноструктур
3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СЭ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ FRAM Ferroelectric Random Access Memory 1010 циклов
4. ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ: БАЗОВЫЙ ФОРМАЛИЗМ Симметрия Свойства поверхностей и границ раздела Объемные и поверхностные фазовые
5. Методика генерации второй гармоники наличие нецентросимметричной среды P= 0 ⇒ IВГ=0 P≠ 0 ⇒ IВГ ≠
6. Вторая гармоника и переключение поляризации Ebg2ω и P0 – вклады непереключаемой поляризации; P(E) – переключаемая СЭ
7. БАЗОВАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА Поликристаллические пленки PbХZr0.53Ti0.47O3 Метод изготовления – золь-гель df = 200 нм То =
8. PbxZr0.53Ti 0.47O3 x=1 ÷ 1.3 СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ
9. Пространственное разрешение методики ограничено размером лазерного пятна на поверхности образца (50 мкм). СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ
10. СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ
11. BST-25нм BST-65 нм Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках BST Исследована серия образцов с
12. С ростом толщины пленки и частоты переменного электрического поля для всех толщин происходит уменьшение параметра ξ
13. U = 0 NBFO2 NBFO2 NBFO4 NBFO1 Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках NBFO
14. Частотные зависимости Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO) df = 35 нм Зависимости интенсивности ВГ от приложенного напряжения имеют ярко
15. Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO) f = 10 мГц Толщинные зависимости Аппроксимация Заметное уменьшение доли непереключаемой поляризации на толщине
16. Описание образцов Методика изготовления: ВЧ-распыление (В.М. Мухортов, ЮНЦ РАН) U = ±10 В E ~ 105
17. Nd0.02Bi0.98FeO3 BaSrTiO3 Чистые пленки 100 нм: Интенсивность ВГ в BST в 20 раз выше, чем в
18. Мультиферроидные структуры сегнетоэлектрик/мультиферроик С уменьшением общей толщины возрастает асимметрия НО отклика - возрастает доля непереключаемой поляризации
19. МИКРОСКОПИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВГ PbxZr0.53Ti 0.47O3 x=1 ÷ 1.3
20. 4 7 x 5 пикс. -6 -4 -2 0 2 6 5000 10000 15000 20000 25000
21. Нелинейно-оптическая микросокпия (дальнепольная), оценка эффективности переключения. BST/NBFO электро-индуцированная ВГ 3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3
22. СХЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ: ДВА ТИПА ИМПУЛЬСОВ Напряжение (В) Время (нс) Время (нс) Напряжение (В)
23. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ДИАГРАММЫ ВГ
25. Скачать презентацию

Слайд 2

Повышение качества материалов
Параметры доменной структуры
Динамика переключения поляризации
Размерные эффекты
Технологии изготовления новых типов

наноструктур
Диагностика сегнетоэлектрических свойств наноструктур

Тонкие пленки

Наноструктуры

Создание эффективных неразрушающих методик экспериментального исследования параметров сегнетоэлектрических пленок и наноструктур, используемых в устройствах микро- и наноэлектроники.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Слайд 3

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СЭ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
FRAM
Ferroelectric Random

Access Memory

1010 циклов считывания/записи

время хранения информации
– более 10 лет

Электрооптические модуляторы
Конденсаторы
Фазовращатели
Частотные фильтры
Оптические процессоры
Микроактюаторы

Диагностика СЭ материалов

Рентгеноструктурный анализ
Электронная микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия

Эллипсометрия
Рамановская спектроскопия
Люминесценция

Применение СЭ материалов в микроэлектронике

Слайд 4

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ: БАЗОВЫЙ ФОРМАЛИЗМ
Симметрия
Свойства поверхностей и

границ раздела
Объемные и поверхностные
фазовые переходы
Параметры доменной структуры

Слайд 5

Методика генерации второй гармоники
наличие нецентросимметричной среды
P= 0 ⇒ IВГ=0
P≠ 0 ⇒

IВГ ≠ 0

Эффективная методика при исследовании переключения поляризации

Слайд 6

Вторая гармоника и переключение поляризации
Ebg2ω и P0 – вклады непереключаемой

поляризации;
P(E) – переключаемая СЭ поляризация;
ξ ~ коэффициент пропорциональности, зависящий от факторов Френеля и нелинейной восприимчивости.

E. D. Mishina, N. E. Sherstyuk, V.I. Stadnichuk, A.S. Sigov, V.M. Mukhorotov, Yu.I. Golovko, A. van Etteger, Th. Rasing, Appl. Phys. Lett. 83, 2402 (2003)

Поляризованный сегнетоэлектрик –
Нецентросимметричный материал

В случае, когда ξP(E) >> P0, петли симметричны относительно нулевого напряжения. Уменьшение переключаемой части поляризации относительно непереключаемой приводит к асимметризации петли вплоть до вырожденного „квазилинейного“ типа.

Слайд 7

БАЗОВАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Поликристаллические пленки
PbХZr0.53Ti0.47O3
Метод изготовления –
золь-гель
df = 200

нм
То = 6500С

Эпитаксиальные пленки
Ba0,7Sr0,3TiO3 @ MgO(100)
Метод изготовления –
магнетронное напыление
df = 6 ÷ 240 нм
ТС = 150С

Слайд 8

PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 ÷ 1.3
СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

Слайд 9

Пространственное разрешение методики
ограничено размером лазерного пятна
на поверхности образца (50

мкм).

СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

Слайд 10

СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

Слайд 11

BST-25нм
BST-65 нм
Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках BST
Исследована серия

образцов с толщиной 25, 65, 150 и 225 нм в диапазоне частот 1 мГц - 100 кГц

Петли имеют симметричный вид:
Доля непереключаемой поляризации стремится к нулю
НО гистерезис появляется только на малых частотах

1. BaSrTiO3

Полученные методом ГВГ результаты соответствуют электрофизическим измерениям, проведенным В.М, Мухортовым (ЮНЦ РАН)

Слайд 12

С ростом толщины пленки и частоты переменного электрического поля для всех

толщин происходит уменьшение параметра ξ (а, следовательно, и ε), и рост доли непереключаемой поляризации . С ростом частоты приложенного поля уменьшаются диэлектрические потери в структуре.

Диэлектрические потери рассчитаны
как площадь под зависимостью Р(Е)

Оценка параметров переключения в зависимости от частоты приложенного поля

Аппроксимация экспериментальных зависимостей соотношением

1. BaSrTiO3

BST-25нм

BST-65 нм

Слайд 13

U = 0
NBFO2
NBFO2
NBFO4
NBFO1
Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках NBFO
2.

NdBiFeO3

Не когерентная -> непереключаемая
-> шероховатость -> широкая индикатриса рассеяния
Подтверждено AFM

Слайд 14

Частотные зависимости
Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO)
df = 35 нм
Зависимости интенсивности ВГ от приложенного

напряжения имеют ярко выраженную асимметрию:
Значительная доля непереключаемой поляризации
С ростом частоты приложенного поля уменьшаются диэлектрические потери в структуре.
С ростом частоты уменьшается ε, доля непереключаемой поляризации практически не изменяется

2. NdBiFeO3

Слайд 15

Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO)
f = 10 мГц
Толщинные зависимости
Аппроксимация
Заметное уменьшение доли непереключаемой поляризации

на толщине 70нм
Уменьшение диэлектрической проницаемости с увеличением толщины пленки, что соответствует данным электрофизических измерений

2. NdBiFeO3

Слайд 16

Описание образцов
Методика изготовления: ВЧ-распыление
(В.М. Мухортов, ЮНЦ РАН)
U = ±10 В
E

~ 105 В/см

Тонкие сегнетоэлектрические и
мультиферроидные пленки

Мультислойные структуры
«сегнетоэлектрик/мультиферроик»

1D и 2D фотоннокристаллические структуры на основе СЭ пленок
Методика изготовления: травление фокусированным ионным пучком (МГТУ МИРЭА)

4. BaSrTiO3 /ФК

1. BaSrTiO3

2. NdBiFeO3

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3

Слайд 17

Nd0.02Bi0.98FeO3
BaSrTiO3
Чистые пленки 100 нм:
Интенсивность ВГ в BST в 20 раз выше,

чем в пленках NBFO
Мультислойные структуры (N=5, толщина =20 нм):
Несимметричная петля
Низкий уровень Ebg

Nd0.02Bi0.98FeO3 /BaSrTiO3

Комнатная температура

Напряжение, В

Интенсивность ВГ, фот./сек.

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3

Вклад BST выше NBFO -> н/о отклик структуры
определяется свойствами BST

Слайд 18

Мультиферроидные структуры сегнетоэлектрик/мультиферроик
С уменьшением общей толщины возрастает асимметрия НО отклика -

возрастает доля непереключаемой поляризации (когерентная и некогерентная составляющая) – влияние механических напряжений на границе слоев.
Та же тенденция проявляется на частотных зависимостях.

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3

Слайд 19

МИКРОСКОПИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВГ
PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 ÷ 1.3

Слайд 20

4

7 x 5 пикс.
-6
-4
-2
0
2
6
5000
10000
15000
20000
25000

x178y324
x179y324
x180y324
Напряжение (В)
(х1, у1)
(х1+1,

у1)

(х1+2, у1)

(х2, у2)

(х2-3, у2)

(х1, у1)

(х1+1, у1)

(х1+2, у1)

(х2-2, у2)

Итенсивность ВГ (отн. ед.)

Напряжение (В)

Поляризация (отн. ед.)

б)

в)

а)

МИКРОСКОПИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВГ

Слайд 21

Нелинейно-оптическая микросокпия (дальнепольная),
оценка эффективности переключения.

BST/NBFO электро-индуцированная ВГ

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3

Слайд 22

СХЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ: ДВА ТИПА ИМПУЛЬСОВ
Напряжение (В)
Время (нс)
Время (нс)
Напряжение

(В)

Слайд 23

Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники

Содержание

Повышение качества материаловПараметры доменной структурыДинамика переключения поляризацииРазмерные эффектыТехнологии изготовления новых типов

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СЭ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ FRAMFerroelectric Random

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ: БАЗОВЫЙ ФОРМАЛИЗМ Симметрия Свойства поверхностей и

Методика генерации второй гармоникиналичие нецентросимметричной средыP= 0 ⇒ IВГ=0P≠ 0 ⇒

Вторая гармоника и переключение поляризации Ebg2ω и P0 – вклады непереключаемой

БАЗОВАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА Поликристаллические пленкиPbХZr0.53Ti0.47O3 Метод изготовления – золь-гельdf = 200

PbxZr0.53Ti 0.47O3 x=1 ÷ 1.3 СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

Пространственное разрешение методики ограничено размером лазерного пятна на поверхности образца (50

СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

BST-25нмBST-65 нмНелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках BSTИсследована серия

С ростом толщины пленки и частоты переменного электрического поля для всех

U = 0NBFO2NBFO2NBFO4NBFO1Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках NBFO2.

Частотные зависимостиBi0.98FeNd0.02O3 (NBFO) df = 35 нмЗависимости интенсивности ВГ от приложенного

Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO) f = 10 мГцТолщинные зависимостиАппроксимацияЗаметное уменьшение доли непереключаемой поляризации

Описание образцовМетодика изготовления: ВЧ-распыление (В.М. Мухортов, ЮНЦ РАН)U = ±10 ВE

Nd0.02Bi0.98FeO3BaSrTiO3Чистые пленки 100 нм:Интенсивность ВГ в BST в 20 раз выше,

Мультиферроидные структуры сегнетоэлектрик/мультиферроик С уменьшением общей толщины возрастает асимметрия НО отклика -

МИКРОСКОПИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВГ PbxZr0.53Ti 0.47O3 x=1 ÷ 1.3

4 7 x 5 пикс.-6-4-2026500010000150002000025000 x178y324 x179y324 x180y324Напряжение (В)(х1, у1)(х1+1,

Нелинейно-оптическая микросокпия (дальнепольная), оценка эффективности переключения.

СХЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ: ДВА ТИПА ИМПУЛЬСОВ Напряжение (В)Время (нс)Время (нс)Напряжение

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ДИАГРАММЫ ВГ

Похожие презентации

Повышение качества материалов
Параметры доменной структуры
Динамика переключения поляризации
Размерные эффекты
Технологии изготовления новых типов

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СЭ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
FRAM
Ferroelectric Random

ГЕНЕРАЦИЯ ВТОРОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГАРМОНИКИ: БАЗОВЫЙ ФОРМАЛИЗМ
Симметрия
Свойства поверхностей и

Методика генерации второй гармоники
наличие нецентросимметричной среды
P= 0 ⇒ IВГ=0
P≠ 0 ⇒

Вторая гармоника и переключение поляризации
Ebg2ω и P0 – вклады непереключаемой

БАЗОВАЯ СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Поликристаллические пленки
PbХZr0.53Ti0.47O3
Метод изготовления –
золь-гель
df = 200

PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 ÷ 1.3
СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ ВГ

Пространственное разрешение методики
ограничено размером лазерного пятна
на поверхности образца (50

BST-25нм
BST-65 нм
Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках BST
Исследована серия

U = 0
NBFO2
NBFO2
NBFO4
NBFO1
Нелинейно-оптические исследования процессов переключения в тонких сегнетоэлектрических пленках NBFO
2.

Частотные зависимости
Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO)
df = 35 нм
Зависимости интенсивности ВГ от приложенного

Bi0.98FeNd0.02O3 (NBFO)
f = 10 мГц
Толщинные зависимости
Аппроксимация
Заметное уменьшение доли непереключаемой поляризации

Описание образцов
Методика изготовления: ВЧ-распыление
(В.М. Мухортов, ЮНЦ РАН)
U = ±10 В
E

Nd0.02Bi0.98FeO3
BaSrTiO3
Чистые пленки 100 нм:
Интенсивность ВГ в BST в 20 раз выше,

Мультиферроидные структуры сегнетоэлектрик/мультиферроик
С уменьшением общей толщины возрастает асимметрия НО отклика -

МИКРОСКОПИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВГ
PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 ÷ 1.3

4

7 x 5 пикс.
-6
-4
-2
0
2
6
5000
10000
15000
20000
25000

x178y324
x179y324
x180y324
Напряжение (В)
(х1, у1)
(х1+1,

Нелинейно-оптическая микросокпия (дальнепольная),
оценка эффективности переключения.

СХЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ: ДВА ТИПА ИМПУЛЬСОВ
Напряжение (В)
Время (нс)
Время (нс)
Напряжение