Материаловедение

Основою координатно-чутливого  оптоелектронного датчика, (рис. 1.5), є пластина з полікристалічного п'єзоелектричного матеріалу, на якій послідовно сформовані фоточутливий шар напівпровідника з прозорим електродом і система функціональних електродів.

 

 

 

Рис. 1.5. Конструкція та принцип дії датчика.

 

          Застосування структур сегнетоелектрік-напівпровідник для перетворення й обробки оптичних сигналів.

Використання  комбінації сегнетоелектричних матеріалів з напівпровідником дозволяє реалізувати  цілий ряд пристроїв для перетворення й обробки оптичних сигналів.

Завдяки властивостям сегнетоелектрика можлива зміна оптичних і фоточутливих властивостей напівпровідника, а також реалізація в структурі конструкцій оптичних запам'ятовуючих приладів і дисплеїв [4,28—ЗІ].

Широко відомі пристрої, де матеріали на основі структури сегнето-електрик-фотопровідник мають здатність до тривалого збереження оптично записаної інформації з можливістю наступного перезапису після електричного стирання [32]. Особливості таких матеріалів у тому, що зображення, яке записується, проектується на поверхню фотопровідника, опір якого в освітлених областях різко зменшується, так, що практично падає на сегнетоелектрику вся прикладена напруга.

Внаслідок цього  при прикладенні напруги відбувається переполяризація сегнетоелектрика в області засвітленого напівпровідникового  шару, і, тим самим, створюється просторовий розподіл поляризованості, що відповідає розподілу освітленості.

Низкою резисторів Rп умовно поданий фоторезистивний шар, а ємностями Ск - сегнетоелектрична підкладка.

При записі оптичного зображення, яке проектується на фоторезистивний  шар, до вихідного електроду прикладається напруга й, яка визначає величину електричного поля в об'ємі сегнетоелектричної підкладки.  В силу того, що електричний опір окремої ділянки фоторезистивного шару визначається інтенсивністю засвітки, величина електричного поля в об'ємі сегнетоелектричної підкладки також залежить від освітленості.

Це дозволяє отримати неоднорідну поляризацію сегнетоелектричної підкладки.

При електричному зчитуванні записаної інформації електронним  променем відбувається її руйнація. Зчитування можна здійснювати без руйнації інформації оптичним способом на визначеній довжині хвилі, що залежить від оптичних властивостей сегнетоелектрика і фотопровідника [4, 30-32].

Постійно зростає  інтерес до структур п'єзоелектрик-напівпровідник, в яких реалізується взаємодія акустичної хвилі з носіями заряду в напівпровіднику. На їхній основі розробляються різноманітні пристрої від двомірних приймачів зображення до конвольверів на об'ємних та поверхневих акустичних хвилях. При цьому досліджуються пристрої, що використовують концентраційну нелінійність напівпровідників, ефективність якої може бути на два-три порядки вище ефективності пружної нелінійності п'єзоелектрика [35].

Можливі інші варіанти структури  п'єзоелектрик-фотопровідник. У [36] описаний п'єзоелектричний поверхньохвильовий перетворювач, що забезпечує роздільчу здатність у 100…200 ліній на 1 см на поверхні 3,2×3,2 см². Виключний інтерес, як засіб збереження й оборобки аналогової і цифрової інформації, викликають акустоелектронні запам'ятовуючі пристрої (АЗП). Вони істотно перевершують традиційні акустичні лінії затримки за часом збереження і, водночас, мають високу швидкість передачі даних і щільність пам'яті, яких украй складно досягти іншими методами. Можна виділити два напрямки в розробці запам'ятовуючих пристроїв на структурах ZnO-Si i LiNbO₃ — матриця діодів на Sі [23]. У першому випадку двійкова інформація записується у вигляді неоднорідного розподілу заряду, захопленого в пастки в плівці ZnO, рис. 1.8.гає, а це в свою чергу приводить до модуляції нелінійної взаємодії в напрямку поширення хвилі. Характерний для них великий час збереження інформації (до доби), порівняно невисока швидкість запису, а також оптимальна тривалість імпульсу зсуву, що записує (амплітуда складає 60 В при тривалості 10 мс) й інші переваги роблять їх дуже перспективними, але не для використання в швидкодіючих системах.

Більш перспективними для використання у швидкодіючих системах є АЗП, сконструйовані на базі структури LiNbO₃ — матриця діодів Шоткі на Sі (рис. 1.9) [23]. перевищує швидкість дії багатьох традиційних пристроїв пам'яті. Час збереження записаного зарядового пакету визначається тільки струмами відтоку діодів, які, завдяки зворотному зсуву діодів, дуже малі, а гранична тривалість сигналів, що запам'ятовують, дорівнює часу поширення поверхневої акустичної хвилі в області взаємодії.

Зрозуміло, що розробка інтегральних елементів оптоелектроніки  на основі структур сегнетоелектрик  — напівпровідник, передбачає її уявлення у вигляді фізично однорідного  обчислювального середовища, допускаючого зміну внутрішнього стану за рахунок зовнішніх електричних впливів [34].

Взагалі, перспективність  і актуальність використання сукупності властивостей сегнетоелектричних матеріалів і інших активних середовищ, зокрема  напівпровідникових, дає можливість створення різноманітних багатофункціональних елементів для вимірів електричних полів, світлових і теплових потоків. Вони визначаються принципово новими можливостями вирішення багатьох проблемних задач мікроелектроніки. Використання сегнетоелектриків у якості функціонально активного середовища дозволяє забезпечити для приладів і пристроїв на їх основі: принципову нечутливість до магнітних полів, тобто повну функціональну сумісність із ними; працездатність у широкому діапазоні зміни температур від -200 до + 150°С; високу стійкість до іонізуючих випромінювань (на 3-4 порядки вище, ніж у напівпровідникової елементної бази); розподільчу пам'ять для запам'ятовування і довгострокового збереження інформації при втраті живлення.

На основі використання ефекту переключення сегнетоелектриків в багатошарових структурах сегнетоелектрик-напівпровідник можна реалізувати низку пристроїв електронної техніки (таблиця 1.6).

 

Зокрема, на основі гібридної структури сегнетоелектрик-люмінофор  розроблено індикаторні пристрої з можливістю запам'ятовування оптичної інформації, а також регулюванням яскравості свічення. Прикладом такого табло є 1200-елементний індикатор із матричною адресацією. У якості сегнетоелектричного матеріалу використовувалася      кераміка      складу      ЦТС (Pb [РЬ_0,98(Zr_0,5(Sn_0,5)_0,86Ті_0,14]_0,98Nb_0,02O₃) із температурою фазового переходу 150°С, значенням залишкової поляризованості 29 мкКл/см², низьким коерцитивним полем 5,6 кВ/см і високою пробивною напругою. В якості люмінофору був застосований сульфід-селенід цинку, активований міддю [4].

 

2. Властивості сегнетокерамічних матеріалів та  технологічні аспекти виготовлення підкладок із сегнетокераміки

Технологія  виготовлення елементів електронне техніки на основі структур сегнетоелектрик-напівпровідниі базується на основі сучасних досягнень мікроелектроніки зокрема на технології виготовлення фоточутливих структур сегнетоелектрик-напівпровідник, та включає декілька взаємозалежних циклів, (рис. 2.1):

 

Вибір матеріалу електродів для розглянутих структур залежить від конкретної конструкції пристрою і матеріалу напівпровідника. Для напівпровідників групи А³В⁴ як електроди звичайно використовують Аl, Іn і Аu, а для створення оптично прозорих контактів SnO₂, Іn₂O₃ і Іn₂O₃.

Процес створення прозорого електроду на поверхні напівпровідника є технологічно досить складним. Експери-ментти показали, що напівпрозорі металеві шари золота й індію часто не придатні для структур із поздовжнім фотоефектом   через   утворення   шунтів   у   товщі напівпровідника в процесі активації. Дуже задовільні результати були досягнуті при локальному відновленні напівпровідника до металу, але поки що ця технологія неефективна і вимагає додаткових досліджень стосовно конкретних напівпровідникових шарів.

Технологія виготовлення експериментальних зразків цілком була зорієнтована на технологічні можливості виробництва елементів оптики і гібридні інтегральні схеми цивільного застосування.

Варіанти конструкцій  резисторного і конденсаторного  елементів на основі структури сегнетоелектрик-напівпровідник, що відпрацьовані в ході роботи, були виготовлені і досліджені на одній і тій самій парі матеріалів сегнетоелектрика і напівпровідника. Зразки відрізнялися лише геометричними розмірами, способами кріплення в корпусі, конструкцією корпусу, наявністю або відсутністю захисних покриттів. Розрахунок резисторної структури проводився з урахуванням характеристик використовувавних матеріалів, а конфігурація з урахуванням необхідних значень опору R, що описується, як

 

R = k_f ρ_s = I/b_s ,

 

де: k_f - коефіцієнт форми; I і b_s - довжина і ширина резистора; ρ_s - поверхневий опір.

 

Коефіцієнт  форми резисторів, виготовлених на основі різних напівпровідникових матеріалів, складав 0,04…0,4 при довжині резисторів 0,2…0,5 мм.

Зменшення геометричних розмірів резисторних структур, більш високий ступінь інтеграції можливо будуть досягнуті при використанні монокристалічних сегнетоелектриків.

Характеристики  досліджуваних структур і їхнє функціональне  призначення визначаються параметрами  використовуваних матеріалів. Так, для структур конденсаторного типу, сегнетоелектрик, поряд із високими значеннями залишкової поляризованості і малими коерцитивними полями, повинен мати високу діелектричну проникність. Для структур резисторного типу бажано мати мінімальну діелектричну проникність сегнетоелектрика, що дозволить підвищити швидкодію при зчитуванні інформації.

Основні параметри сегнетоелектричних (CE) матеріалів для структур сегнетоелектрик-напівпровідник (Т = 20°С) наведені в таблиці 2.1, [40].

Як вже було вказано, при зростанні температури сегнетоелектрики зазнають фазового переходу, котрий супроводжується зникненням доменів та спонтанної поляризованості. Температура Т_с, при якій здійснюється фазовий перехід, називається температурою Кюрі. (Довідково: температура ΰ_р, вище якої зчезаєть мимовільна намагніченість доменів ферромагнетиків, які переходять в парамагніний стан. Часто температурою Кюрі називають температуру будь якого фазового переходу другого роду).

Під впливом  зовнішнього електричного поля в багатодоменному   кристалі   відбувається   перебудова доменної структури, при цьому в деякому об'ємі поляризованість змінює свій напрям - здійснюється переполяризація кристалу. З прикладенням електричної напруги, що створює поле +Е_{n max}, в одновісьовому монокристалічному сегнетоелектрику може досягатись монодоменний стан з величиною поляризованості +Рs. Після зняття напруги залишкова поляризованість +Рr зберігається в ідеальному випадку як завгодно довго.

При зміні полярності прикладеної напруги напрямок залишкової поляризованості змінюється на протилежний.

В реальних матеріалах переполяризація сегнетоелектриків є складним багатофакторним явищем, для опису якого використовується сукупність закономірностей, притаманних окремим елементарним процесам.

Нині найбільш розвинута теорія 180-градусної поляризації - найпростішого випадку, характерного для одноосьових сегнетоелектриків, наприклад, триглі цинсульфату (ТГС).

Процес переполяризації  ТГС під дією зовнішнього поля, спрямованого паралельно до сегнетоелектричної осі кристалу, описується трьома механізмами:

а) зародженням 180°-них доменів із спонтанною поляризованістю, паралельною до поля;

б) проростанням зародків, які утворилися, в напрямку поля, прикладеного до електродів, без  зміни їх поперечного перерізу;

в) розростанням доменів внаслідок бокового руху 180°-них доменних стінок. Залежність швидкості бокового руху доменних стінок в області слабких полів описується експоненційною залежністю [4]:

V = V_∞ exp (- δ/E_n),                                              (2.1)

де δ - значення поля активації, а V_∞ - швидкість стінки при E_n → ∞.

Швидкість бокового руху стінок дуже чутлива до змін температури  й наявності домішок в монокристалах.

Найхарактернішим параметром процесу переполяризації сегнетоелектриків є час перемикання t_п. Залежність t_п від напруженості поляризуючого поля, що отримана згідно імпульсної методики Мерца [4], приведена на рис. 2.2.                                  (2.3)

де а - числовий коефіцієнт, що має значення поля активації, t - числовий коефіцієнт. Характер залежностей 1/t_п і швидкості бокового руху доменної стінки від поля, як то видно з виразів (2.1) та (2.3), вказує на те, що в слабких полях перемикання відбувається, в основному, внаслідок бокового руху 180°-них доменних стінок. Експоненційна залежність 1/t_п від поляризуючого поля проявляється аж до дуже слабких полів й свідчить про відсутність у сегнетоелектриків порогового поля.

В монокристалічних сегнетоелектриках, що мають кілька сегнетоелектричних осей, наприклад, в титанаті барію тетрагональної модифікації, поряд з 180°-ними доменами наявні 90°-ні домени [5].  Перемикання таких багатовісних кристалів протікає значно складніше, що не дозволяє побудувати загальну теорію їх поляризації [6].

Поряд з граничними циклами переключення сегнетоелектриків при знижених величинах Е_п можуть бути реалізовані часткові цикли переключення (рис. 1.2, пунктир). Це дозволяє отримати будь-які проміжні значення залишкової поляризованості + Р_г і –Р_г.

Слід зазначити, що при  частковому перемиканні в сегнетоелектрику співіснують домени з протилежним напрямком Р_s, тобто знак поляризаційного заряду вздовж поверхні змінюється. Це призводить до появи потенціального рельєфу на поверхні сегнетоелектрика. Тому різні ділянки напівпровідникової плівки вздовж межі з сегнетоелектриком будуть перебувати в стані збіднення чи збагачення залежно від знаку поверхневого поляризаційного заряду окремих доменів.