Фототок в структурах кремний/титанат стронция/никель

Доклады БГУИР

Doklady BGUIR

2018, № 1

УДК 621.315.592

ФОТОТОК В СТРУКТУРАХ КРЕМНИЙ/ТИТАНАТ СТРОНЦИЯ/НИКЕЛЬ

П.А. ХОЛОВ1, Н.В. ГАПОНЕНКО1, Д А. ГОЛОСОВ1, С М. ЗАВАДСКИЙ1 Б.С. КОЛОСНИЦЫН1, В.А. ИВАНОВ2, ВВ. КОЛОС3

1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь

2НПЦ НАН Белоруссии по материаловедению, Минск, Республика Беларусь

3ОАО «Интеграл», Республика Беларусь

Поступила в редакцию 9 ноября 2017

Аннотация. Золь-гель методом синтезированы пленки титаната стронция SrTiO3 (ксерогель титаната стронция) на подложках монокристаллического кремния при температуре термообработки 750 °С. Методом магнетронного распыления сформированы верхние электроды из никеля и измерены вольт-амперные характеристики сформированных структур. Обнаружен фототок при освещении структуры кремний/титанат стронция/никель галогенной лампой, а также переключение из низкоомного состояния в высокоомное при напряжении около 10 В как при освещении, так и без него.

Ключевые слова: золь-гель метод, титанат стронция, фототок.

Abstract. The SrTiO3 (strontium titanate xerogel) films were fabricated on the substrates of monocrystalline silicon using the sol-gel method at the annealing temperature 750 °С. The upper nickel electrodes were fabricated using the magnetron sputtering, and the volt-amperic characteristics of the obtained structures were measured. Photocurrent was observed from the structure silicon/strontium titanate/nickel under illumination with the halogen lamp, as well as switching from low resistance state to high resistance state under and without illumination.

Keywords: sol-gel method, strontium titanate, photocurrent.

Doklady BGUIR. 2018, Vol. 111, ]Чо. 1, pp. 19-24

Photocurrent in the structures of silicon / strontium titanate / nickel

P.A. Kholov, N.V. Gaponenko, D.A. Golosov,

S.M. Zavadski, B.S. Kolosnitsin, V.A. Ivanov, V.V. Kolos

Введение

В течение последних двух десятилетий возрос интерес к формированию пленок титаната стронция и изучению их электрофизических свойств. Технология получения пленок титаната стронция представляет интерес для разработки пленочных конденсаторов, мемристоров и варисторов, а также легированных лантаноидами люминофоров [1, 2]. Получены мемристоры на керамических материалах титаната стронция [3], обнаружены высокоомные и низкоомные состояния в тонких пленках титаната стронция [4]. Исследуется фототок в титанате стронция при освещении видимым и ультрафиолетовым излучением [5, 6]. Свойства пленок титаната стронция зависят от технологии получения, и в настоящее время активно исследуется воспроизводимость их физико-химических свойств. В работе показана фоточувствительность пленочной структуры кремний/титанат стронция/никель.

Методика эксперимента

Для формирования ксерогеля титаната стронция были синтезированы золи с использованием ацетата гидрата стронция Sr(CH3COO)21/2№O и тетраизопропоксида

Ti(OCH(CH3)2)4. В качестве растворителей использовали уксусную кислоту и монометиловый эфир этиленгликоля. Ацетат стронция смешивали с уксусной кислотой до полного растворения солей. Тетраизопропоксид титана растворяли в монометиловом эфире этиленгликоля. После этого полученные растворы смешали и добавили ацетон в качестве стабилизатора. Использовались золи с концентрацией 45 мг/мл. Золи наносили методом центрифугирования со скоростью 2700 об./мин на подложки монокристаллического кремния ^-типа. После нанесения каждого слоя образцы подвергались термообработке при температуре 200 °С в течение 10 мин, после чего проводилась промежуточная термообработка при температуре 550 °С в течение 60 мин. Затем следовала окончательная термообработка в течение 30 мин при температуре 750 °С. Для изготовления диодной структуры формировались верхние электроды из никеля квадратной формы со стороной 0,8 мм, а также электрод большей площади, обеспечивающий омический контакт. Схематично сформированные структуры представлены на рис. 1, а, б, внешний вид образца представлен на рис. 1, в. Морфологический анализ пленок проводился методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на установке HITACHI S-4800. Спектры рентгеновской дифракции (дифрактограммы) были получены на установке D8 ADVANCE фирмы «Bruker AXS».

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур регистрировались при комнатной температуре в интервале напряжений U = ±10 В от стабилизированного источника питания ТЕС-23. Напряжение и ток измерялись электронным цифровым вольтметром В7-23 и амперметром В7-27А. Эквивалентная схема измерения представлена на рис. 1, г. Существенно, что для проводимых измерений требуется использование вольтметра с высоким внутренним сопротивлением. Структура подключалась к измерительному блоку посредством прижимных нихромовых проводников. Для измерений использовались пары контактов: электрод меньшей площади / электрод большей площади (рис. 1, а), как в опубликованных ранее работах [5], или между близлежащими электродами меньшей площади (рис 1, б). Исследовались темновые ВАХ, а затем при освещении «белым» светом с интенсивностью 57 мВт/см2. Структуры освещались со стороны пленки титаната стронция. В качестве источника освещения использована галогенная лампа КГМ с цветовой температурой вольфрамовой нити накаливания 2850 °С. Температура нити накаливания измерялась с помощью оптического пирометра ЭОП-66 и регулировалась стабилизированным источником питания ТЕС-41. Интенсивность света контролировалась измерителем мощности и энергии излучения ИМО-2Н.

в г

Рис. 1. Структуры никель/титанат стронция/кремний: между большим и меньшим электродами (а), между ближайшими меньшими электродами (б), типичный внешний вид структуры (в), принципиальная

схема измерения ВАХ образцов

Результаты и их обсуждение

Сформированная пленка титаната стронция имеет поликристаллическую структуру. На рис. 2 представлено РЭМ-изображение пленки ксерогеля титаната стронция, сформированной на монокристаллическом кремнии ^-типа, после термообработки. Из рис. 2 видно, что толщина пленки составила 53 нм.

На рис. 3 приведена дифрактограмма пятислойной пленки титаната стронция, подвергнутой термообработке при температуре 750 °С в течение 30 мин. Наиболее интенсивный пик дифрактограммы соответствует кристаллографической ориентации (110) (PDF 01-074-1296).

На рис. 4 представлены результаты измерения ВАХ, где кривая 1 соответствует измерениям с освещением, а кривая 2 - без освещения. На ВАХ можно выделить четыре участка: 1) омической проводимости; 2) горизонтальный участок ВАХ; 3) экспоненциального возрастания тока; 4) вертикального роста тока. На рис. 4, а представлены результаты измерения ВАХ структуры, измеренные в разных точках в соответствии со схемой рис. 1, а. Полученная ВАХ без освещения соответствует диоду Шоттки, что наблюдалось авторами и ранее [5].

Рис. 2. РЭМ-изображения пленки ксерогеля титаната стронция на монокристаллическом кремнии р-типа после термообработки при температуре 550 оС и 750 °С в течение 60 мин

26, градусы

Рис. 3. Дифрактограмма пятислойной пленки титаната стронция, подвергнутой термообработке

при температуре 750 °С в течение 30 мин

Исследовались темновые ВАХ, а затем при освещении. Освещение образцов приводит к значительным изменениям на прямой и обратной ветвях ВАХ. При обратном напряжении смещения -5 В фототок составляет 100 мкА, тогда как без освещения ток обратного

смещения - 0,6 мкА. При прямом смещении и напряжении +5 В ток прямого смешения -175 мкА при освещении, а при таком же напряжении без освещения ток значительно возрастает и составляет 10,3 мкА. При прямом смещении и напряжении +5 В ток прямого смещения - 162 мкА при освещении, а при таком же напряжении без освещения ток - 128 мкА.

Авторами обнаружено, что при освещении и увеличении напряжения как при прямом, так и при обратном смещении наблюдается скачкообразное снижение тока, что может характеризовать переключение титаната стронция из низкоомного состояния в высокоомное. При прямом смещении и напряжении +6 В (схема измерения - электрод меньшей площади / электрод большей площади, рис. 1, а) ток уменьшается до 0,2-1 мкА; аналогичное резкое падение тока наблюдается и при достижении обратного смещения -10 В.

Для измерения между близлежащими электродами меньшей площади в соответствии со схемой рис. 1, б значения фототока с освещением и без освещения уменьшились для обратного смещения, тогда как при прямом смещении значения сопоставимы с измерениями по схеме электрод меньшей площади / электрод большей площади (рис. 4, б). При обратном напряжении -5 В фототок составляет 31,1 мкА, тогда как без освещения ток обратного смещения не превышает 0,53 мкА. При прямом смещении и напряжении +5 В ток прямого смещения - 108 мкА при освещении, а при таком же напряжении без освещения величина тока составляет 8,8 мкА. Существенно, что при хранении аналогичных образцов в комнатных условиях в течение года деградации структуры не происходит и фототок в них наблюдается по-прежнему. Кроме того, фототок наблюдается также и при возбуждении ультрафиолетовым излучением [6]. Генерация фототока и изменение проводимости могут быть обусловлены изменением заселенности глубоких уровней титаната стронция. Изменение сопротивления, наблюдаемое при подаче напряжения свыше 10 В, может быть связано с миграцией вакансий решетки и изменением потенциала барьера между зернами титаната стронция. Отсутствие фототока при нулевом смещении в пределах точности измерений может означать необходимость в изменении потенциального барьера между зернами титаната стронция для регистрации фототока.

Рис. 4. ВАХ пятислойной пленки титаната стронция на кремнии р-типа: между электродами меньшей площади и большей площади

Показано, что структуры кремний/титанат стронция/никель демонстрируют фототок при прямом и обратном смещении, что характеризует воспроизводимость полученных ранее результатов. При этом при освещении изменяются как ВАХ, полученные для сравнительно близких электродов, так и для сравнительно отдаленных электродов. Обнаруженное переключение из низкоомного состояния в высокоомное связано с резким уменьшением сопротивления титаната стронция за счет изменения потенциального барьера между зернами, что вызывает интерес к предложенным структурам как элементам памяти - мемристорам [4]. При этом может появиться возможность формировать структуры без нижнего электрода из платины, что упрощает технологию и открывает возможность повышения температуры синтеза.

250 ^

а

б

Заключение

Список литературы

1. Исследование люминесцентных свойств SrTiO3:Pr3+:Al при фотовозбуждении / Б.М. Синельников [и др.] // Вестн. Сев.-Кав. гос. техн. университета. Сер. «Физико-химическая». 2004. № 1 (8). С. 6-15.

2. Photo- and cathodoluminescence of strontium titanate xerogel films doped with terbium ions / M.V. Rudenko [et al.] // J. of Surface Investigation. 2015. Vol. 9, No. 5. P. 1012-1015.

3. Resistance switching and retention behaviors in polycrystalline La-doped SrTiO3 ceramics chip devices / S. Hirose [et al.] // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 104. P. 053712 (1-12).

4. Низкоомные и высокоомные состояния в пленках титаната стронция, сформированных золь-гель методом / Х. Сохраби Анараки [и др.] // ФТТ. 2015. Т. 57, № 10. С. 1977-1980.

5. Сохраби Анараки Х., Гапоненко Н.В., Иванов В.А. Фототок в ксерогелях титаната стронция // ЖПС. 2015. Т. 82, № 5. С. 800-803.

6. Photocurrent in the diode structure with strontium titanate xerogel films on p-type silicon / Xiang Wang [et al.] // Physics, Chemistry and Application of Nanostructures : proc. of the Intern. conf. «Nanomeeting-2017». Minsk, Belarus, May 30-June 2, 2017. Minsk, 2017. P. 59-61.

References

1. Issledovanie ljuminescentnyh svojstv SrTiO3:Pr3+:Al pri fotovozbuzhdenii / B.M. Sinel'nikov [i dr.] // Vestn. Sev.-Kav. gos. tehn. universiteta. Ser. «Fiziko-himicheskaja». 2004. № 1

2. Photo- and cathodoluminescence of strontium titanate xerogel films doped with terbium ions / M.V. Rudenko [et al.] // J. of Surface Investigation. 2015. Vol. 9, No. 5. P. 1012-1015.

3. Resistance switching and retention behaviors in polycrystalline La-doped SrTiO3 ceramics chip devices / S. Hirose [et al.] // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 104. P. 053712 (1-12).

4. Nizkoomnye i vysokoomnye sostojanija v plenkah titanata stroncija, sformirovannyh zol'-gel' metodom / H. Sohrabi Anaraki [i dr.] // FTT. 2015. T. 57, № 10. S. 1977-1980.

5. Sohrabi Anaraki H., Gaponenko N.V., Ivanov V.A. Fototok v kserogeljah titanata stroncija // ZhPS. 2015. T. 82, № 5. S. 800-803.

6. Photocurrent in the diode structure with strontium titanate xerogel films on p-type silicon / Xiang Wang [et al.] // Physics, Chemistry and Application of Nanostructures : proc. of the Intern. conf. «Nanomeeting-2017». Minsk, Belarus, May 30-June 2, 2017. Minsk, 2017. P. 59-61.

Сведения об авторах

Холов П.А., аспирант, м.н.с НИЛ 4.5 НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Гапоненко Н.В., д.ф.-м.н., профессор, заведущий НИЛ 4.5 НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Голосов Д.А., к.т.н., доцент, в.н.с. Центра 10.1 НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Завадский С.М., к.т.н., доцент, директор Центра 10.1 НИЧ Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Колосницын Б.С., кт.н, профессор кафедры микро- и наноэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Иванов В.А., к.ф.-м.н., доцент, в.н.с. «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению».

Колос В.В., к.ф.-м.н., ведущий технолог ОАО «ИНТЕГРАЛ» - управляющая компания

Information about the authors

Kholov P.A., PhD student, junior researcher of SRL 4.5 of R&D department of Belarusian state university of informatics and radioelectronics.

Gaponenko N.V., D. Sci, professor, head of SRL 4.5 of R&D department of Belarusian state university of informatics and radioelectronics.

Golosov D.A. PhD, associate professor, leading researcher of Center 10.1 of R&D department of Belarusian State university of informatics and radioelectronics.

Zavadski S.M. PhD, associate professor, head of Center 10.1 of R&D department of Belarusian State university of informatics and radioelectronics.

Kolosnitcin B.S., PhD, professor of micro- and nanoelectronics department of Belarusian state university of informatics and radioelectronics.

Ivanov V.A., PhD, leading researcher «SPC NAS of Belarus of materials».

Kolos V.V., PhD, leading engineer of JSC «INTEGRAL» -holding managing company «INTEGRAL».

холдинга «ИНТЕГРАЛ».

Адрес для корреспонденции

220013, Республика Беларусь,

г. Минск, ул. П. Бровки, 6,

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники

тел. +375-17-293-88-75;

e-mail: nik@nano.bsuir.edu.by

Гапоненко Николай Васильевич

Address for correspondence

220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka st., 6, Belarusian state university of informatics and radioelectronics tel. +375-17-293-88-75; e-mail: nik@nano.bsuir.edu.by Gaponenko Nikolai Vasil'evich