Материаловедение

Серед матеріалів, що забезпечують розвиток даного напрямку, видне місце займають сегнетоелектрики, унікальні властивості яких, обумовлені діелектричними, піроелектричними, оптичними  і п'єзоелектричними ефектами в  одному континуальній середовищі.

Використання совокупності властивостей сегнетоелектричних матеріалів в складі багатошарових структур, наприклад, з напівпровідниками, значно розширює функціональні можливості як сегнетоелектрика так і напівпровідника, даючи можливість для нових оригінальних схемотехнічних рішень компонентів електронної техніки.

Зокрема для  створення фокальних матриць  перспективних оптико-електронних  прикладів спостережень інтенсивно реалізується ідея інтеграції сегнетоелектричних плівок і багатошарових тонко  плівкових структур у кремнієвими мікросхемами.

Дослідження з активними діелектриками в Україні закладалися в Київському політехнічному  інституті академіком Б.М. Вулом, а з початку 50-х років - професором М.М.Некрасовим.

           1. Застосування структур сегнетоелектрік-напівпровідник в електронній техніці

Використання  принципів фізичної інтеграції, які  лежать в основі функціональної електроніки, відкриває нові перспективи в  створенні елементів і пристроїв  електронної техніки. Зокрема це стосується діелектричних матеріалів, які донедавна використовувалися в основному для формування ізолюючих і пасивуючих шарів, тобто виконували пасивну роль. Сучасні дослідження властивостей багатошарових структур діелектрик-напівпровідник і меж їх розподілу в якості одного із завдань ставлять виявлення явищ і ефектів, які можуть бути використані для створення нових елементів та пристроїв електронної техніки. Серед матеріалів, які забезпечують розвиток даного напрямку, особливе місце посідають сегнетоелектрики, що поєднують у собі одночасно діелектричні, піроелектричні та п'єзоелектричні властивості. Це робить реальним створення на їх основі приладів різноманітного функціонального призначення [1-5].

Наприклад, принцип дії  піроелектричних фотоприймачів  оснований на властивому сегнетоелектрикам піроелектричному ефекті, який полягає в тому, що зміна температури спричиняє появу електричного дипольного моменту у сегнетоелектрика. Для особливо чутливих матеріалів зміна температури на 1°С викликає появу електричного поля до 10 кВ/см [6-9].

Розглянемо це питання більш детально. Основною особливістю піроелектричного матеріалу є наявність в ньому спонтанної поляризованості Р_s при відсутності зовнішнього електричного поля. Її величина залежить від температури кристалу і характеризується піроелектричним коефіцієнтом р=dP_s/dT. Спонтанна поляризованість існує тільки в обмеженій області температур нижче температури Кюрі. Якщо пірокристал перебуває при постійній температурі досить довгий час, то спонтанна поляризованість зовні не виявляється, оскільки зв'язані заряди на його поверхні за цей час встигають нейтралізуватися як вільними зарядами самого кристалу, так і осідаючими на його поверхні зарядами навколишнього середовища. Перелік основних використовуваних  у  даний час піроелектричних матеріалів наведено у таблиці 1.1.

 сегнетоелектричних матеріалів, виконані в останні роки, дозволили синтезувати нові піроелектрики й оптимізувати їхні властивості для створення систем теплобачення, що конкурують за властивостями із тими, що використовують фотонні приймачі. Піроелектричні приймачі не вимагають спеціальних джерел живлення і кріогенних систем, досить технологічні, стабільні, надійні і здатні витримати теплові, механічні і радіаційні впливи в найрізноманітніших умовах експлуатації і тому ефективні.

Висока поляризація сегнетоелектриків забезпечує велике значення спонтанної поляризації і високої діелектричної проникливості, а отже і високу індуковану поляризацію. Хоча велика поляризація і не є обов'язковою умовою сильного піроелектричного ефекту, вона є корисною властивістю, оскільки в цьому випадку легко знайти області з сильною температурною залежністю, зокрема, поблизу температури фазового переходу. Висока діелектрична проникливість необхідна при створенні багатоелементних лінійок і матриць піроприймачів, коли малі розміри чуттєвого елементу перешкоджають узгодженню з вхідним опором попереднього підсилювача.

Серед масових  застосувань піроелектричних детекторів варто виділити пристрої охоронної  сигналізації, енергозберігаючі прилади - «автоматичні вимикачі» і піроелектричні тепловізійні камери. Перші два типи пристроїв засновані на спрацьовуванні виконавчого елементу під дією піроелектричного сигналу, що виникає при зміні температурного поля в контрольованому середовищі. Вони широко використовуються в усьому світі впродовж останніх двадцяти років і їх випуск досгнув декількох мільйонів одиниць на рік. Третій напрямок є порівняно новим.

Для забезпечення високої чутливості піроелектрична матриця повинна бути сконструйована і використовуватися в таких умовах, щоб забезпечити найбільшу зміну температури елементів для заданої потужності випромінювання. Для цього необхідно забезпечити якісну теплову ізоляцію фоточутливого елементу, що для багатоелементних матриць є дуже складним завданням.

Повідомлення про створення діючих неохолоджува-них тепловізійних камер із застосуванням гібридних детекторів на основі модифікованого сегнетоелектрика-цирконат-титанат свинцю (РbZr_0,58FeO₂NbO₂TiO,О₃:U) і напівпровідника кремнію, що мають непогані характеристики, з'явились на початку 90-х років [9], хоча протягом 70-80-х років основна увага приділялась розробці і використанню піроелектричних відіконів - електронноп-роменевих трубок із чуттєвими елементами на основі піроелектричних матеріалів [10,11].

Пристрій на основі кераміки з модифікованого цир-конату-титанату свинцю, виконаного у вигляді матриці піроприймачів, розміщеної на багатоканальній кремнієвій мікросхемі [9], зумовив створення конкурентоздатних портативних піроелектричних інфрачервоних камер, здатних забезпечити телевізійну якість зображення. На рис. 1.1 схематично подано фрагмент піроелектричної структури, яка складається з 80000 (245×328) елементів, що є основою портативної інфрачервоної тепловізійної камери «NIGHTSIGHT» для патрульної поліцейської машини [12].

Рис. 1.1. Схематичний  вид фрагменту матриці піроелектричних  детекторів.

Матриця чутливих елементів формується на основі тонкої пластини з титанату барію-стронцію за допомогою лазерного скрайбування. Міжелементний проміжок і відстань між центрами елементів рівні відповідно 10 мкм і 48,5 мкм. Послідовне нанесення комбінованого поглинаючого покриття з париленовою плівкою, напівпрозорого і непрозорого, загального для всіх елементів електродів, а також відновлення площини скрайбованої поверхні завершують обробку сторони, що приймає випромінювання.

Система плівка - електроди утворить резонансну порожнину, що забезпечує в діапазоні від 7,5 до 13 мкм коефіцієнт поглинання не гірше 90%. Для зменшення втрат тепла  із зворотньої сторони кожний чутливий елемент розташовано на тонкій мініатюрній підставці, яка забезпечує електричний контакт із входом відповідного каналу мікросхеми. Попередні підсилювачі являють  собою  інвертуючі  каскади  з  опором  зворотнього зв'язку 10¹¹…10¹² Ом. Виходи кожного з підсилювачів комутуються таким чином, що вихід матриці погоджується із стандартними телевізійними пристроями. Матриця монтується на однокаскадному термоелектричному холодильнику, розміщена в стандартному корпусі розміром 25×24×6 мм і забезпечує рівномірність зображення не гірше 1,5%.

Є повідомлення щодо тонкоплівкової мішені, виконаної на основі органічного піроелектрика (ОПЕ) з високою чутливістю та розподільчою здатністю. За цими показниками вона відповідає мішеням на монокристалах ТГС найбільш відомих у світі виробників, але її вартість на порядок нижча. Завдяки зменшенню товщини та теплоємності вона має практично таку ж чутливість, що і мішені на кристалах ТГС (5 мкА/Вт), а по вібростійкості перевищує їх на порядок. Мішень може працювати в широкому діапазоні температур (-60...+50°С).

Наявність двох і більше стійких станів поляризованості  сегнетоелектрика, яка може бути локально змінена під дією електричного поля (в основі цього ефекту лежить діелектричний  гістерезис (рис. 1.2), зумовлений доменною структурою сегнетоелектриків, тобто наявністю областей (доменів), які відрізняються напрямком спонтанної поляризованості Р_s), дозволяє створювати не тільки репрограмовані запам'ятовуючі пристрої, які зберігають інформацію при відключеному живленні, але також піроелектричні і акустичні перетворювачі, оптичні системи з адаптивними характеристиками. Пристрої запису та відтворення оптичного зображення, які реалізовані в системі сегнетоелектрик-напівпровідник, мають здатність до багатократного запису (10⁸…10⁹ разів) та довготривалого зберігання записаної інформації при дії магнітних і радіаційних полів [1-5].

Одна з найбільш перспективних  областей застосування сегнетоелектриків, яка інтенсивно розвивається, є виробництво схем оперативних запам'ятовуючих пристроїв (ОЗП). Для розвитку таких ОЗП необхідно в першу чергу вирішити проблему збільшення питомої ємності конденсаторного елементу в однотранзисторному осередку. Аналіз основних тенденцій розвитку ОЗП показує, що створення наступних поколінь гігабітних ОЗП неможливо без застосування діелектричних матеріалів з високою діелектричною проникністю ε .

Сегнетоелектрики мають  найбільші значення ε (200…2000) серед відомих діелектриків.

Інший важливий напрямок застосування сегнетоелектриків — енергонезалежні перепрограмовуючі запам'ятовуючих пристроїв (ЗП). Принцип дії сегнетоелектричних запам'ятовуючих пристроїв (СЗП) цього типу грунтується на наявності в сегнетоелектриках вектора спонтанної поляризації, напрямок якого може бути змінено зовнішнім електричним полем.

СЗП мають малі значення керуючих напруг, сумісних з  напругою КМОП-схем обрамлення (2,5…5,0 В), часу запису і зчитування (10 нc). Вони також характеризуються тривалим часом енергонезалежного збереження інформації (не менше п'яти років), значним числом циклів запису/зчитування (10¹²…10¹⁴) і високим ступенем інтеграції (мінімальний розмір домену в сегнетоелектриках — близько 10 нм, що значно нижче межі роздільної здатності сучасних процесів фотолітографії).

Усе це дає підставу вважати, що СЗП найближчим часом витиснуть багато типів існуючих схем енергонезалежної пам'яті (табл. 1.2) і знайдуть широке застосування в обчислювальній техніці, засобах автоматизації, автомобілебудуванні.вані діелектрики, які отримують шляхом прикладання до діелектрика електричного поля при, як правило, одночасному нагріві. Результатом такої дії є поява електретного ефекту, пов'язаного з накопиченням у діелектрику нерівноваженого заряду як дійсного (гомозаряду), так і у вигляді так званої "замороженої" поляризації (гетерозаряду), який забезпечує довготривале існування навколо діелектрика електричного поля.  Наявність "замороженої" поляризації в деяких керамічних, полімерних та полімерно-керамічних композитних матеріалах сприяє стабільності п'єзоелектричних та піроелектричних характеристик таких матеріалів.

Основною областю  використання електризованих діелектриків є електроакустичні перетворювачі. Так, наприклад, в сучасній апаратурі більш ніж 90% усіх мікрофонів є електретними.

Використання сукупності властивостей  сегнетоелектричних матеріалів у складі багатошарових структур при безпосередньому контакті з напівпровідниками істотно розширює функціональні можливості останніх, зумовлює актуальність створення на основі структури сегнетоелектрик-напівпровідник багатофункціональних приладів оптоелектроніки. Так, в запам'ятовуючих пристроях резисторного чи конденсаторного типу на основі таких структур забезпечується неруйнівне зчитування інформації.

В датчиках оптичного  випромінювання чи температури їх параметри перебудовуються після керуючої дії імпульсів поляризуючого електричного поля, що відкриває можливість для створення функціонально різних пристроїв при незмінній технології. Не менш важливе значення має також висока радіаційна і температурна стабільність сегнетоелектричних матеріалів [1, 4—7, 13, 14].

Багатошарові  структури сегнетоелектричних матеріалів.

За конструкцією структури  можна поділити на два типи: резисторні, які являють собою тонкоплівковий резистор, нанесений на сегнетоелектричну підкладку, на протилежному боці якої знаходиться керуючий електрод (рис. 1.4, а), і конденсаторні, які відрізняються наявністю одного суцільного чи точкового електроду на поверхні напівпровідника (рис. 1.4, б). В першому випадку інформаційним параметром є значення провідності (опору) тонкоплівкового резистора, в другому — значення ємності структури.

Рис. 1.4. Схематичне зображення резисторного (а) і конденсаторного (б) типів структури сегнетоелектрик-напівпровідник

Однак зчитування записаної інформації в широкорозповсюджених пристроях оптоелектроніки виконується за допомогою проекційної апаратури, тому її використання у пристроях та системах обробки оптичної інформації повинно передбачати наявність скануючих оптико електронних систем для перетворення оптичного зображення у відеосигнал. Це суттєво обмежує область використання пристроїв вводу та обробки оптичної інформації на основі системи сегнетоелектрик-напівпровідник у системах керування автономними об'єктами, не дивлячись на сукупність вкрай цінних властивостей сегнетоелектричних матеріалів у поєднанні з фоточутливими напівпровідниковими шарами.

Дослідження, які  ми виконували по вивченню якостей  системи сегнетоелектрик-напівпровідник, показали реальну можливість створення  на її основі багатофункціональних елементів оптоелектроніки, зокрема, інтегральних фотоприймачів з внутрішньою розгорткою акустичною хвилею, оскільки однією з властивостей сегнетоелектриків є висока стабільність швидкості розповсюдження в них звукових хвиль, що забезпечує можливість реалізації в структурах конструкцій пристроїв акустоелектронної техніки для прецизійних вимірювальних оптико-електронних приладів [18].