Получение и свойства диэлектрических тонких пленок ZrO2-Y2O3

УДК 621.383.075

И. Ю. БРИГАДНОВ, М. К. САМОХВАЛОВ

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК Zr02-Y203

Рассмотрена проблема создания тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов. Исследованы электрические и оптические свойства прозрачных тонких диэлектрических пленок, входящих в электролюминесцентную структуру. Указано влияние характеристик пленок на параметры индикаторных устройств.

Тонкие диэлектрические пленки нашли в настоящее время очень широкое применение в микроэлектронике в качестве изолирующих слоев, диэлектриков конденсаторов, в оптике, средствах отображения информации, в частности, в структурах тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов (ТП ЭЛИ) и других областях науки и техники. ТП ЭЛИ относятся к активным светоизлуча-ющим устройствам, и диэлектрические слои, используемые в них, испытывают воздействие сильных электрических полей и светового излучения. Вследствие этого к диэлектрическим пленкам, используемым в таких структурах, предъявляют требования сочетания высоких изолирующих свойств и высокой прозрачности в оптическом диапазоне длин волн [1, 2]. В связи с этим проведены исследования электрических и оптических свойств прозрачных тонких диэлектрических пленок, рас-, смотрены технологические аспекты их формирования.

Экспериментальные исследования диэлектрических пленок НЮ2, Si02, А1203, 2г02, Y203 и их твердых растворов, полученных в вакууме методом электронно-лучевого испарения с кольцевым катодом, показали плохую воспри-зводимость свойств пленок оксидов гафния и алюминия, что может быть обусловлено диссоциацией эти оксидов в процессе напыления. Пленки диоксида кремния обладали невысокими электрическими характеристиками, а ЭЛК, изготовленные с применением данного диэлектрика, имели высокие рабочие напряжения. Высокие изолирующие свойства показали пленки оксида иттрия, но рабочие напряжения индикатора при использовании такого диэлектрика были все же высоки. Исследовались твердые растворы оксидов циркония и иттрия, содержащие от 10 до 25% оксида иттрия. Пленки твердых растворов оксидов циркония и иттрия (особенно содержавшие 13% Y203) имели меньшую степень диссоциации при испарении в вакууме, по сравнению с чистыми оксидами они обладали более высокой химической устойчивостью и стабильностью [3].

В связи с этим были детально исследованы пленки твердых растворов, содержащих 13% (мае.) оксида иттрия и 87% (мае.) оксида циркония. Свойства данного материала изучали в структурах «прозрачный электрод-

диэлектрик-металл» - (МДМ). В качестве подложек, на которых формировали структуры, использовали пластины бесщелочного стекла толщиной 1,5-3 мм с нанесенным слоем прозрачного электрода, представлявшего собой пленку оксида олова толщиной 0,2 мкм, имеющую удельное поверхностное сопротивление 50-100 Ом/О И прозрачность более 95-98 % в видимом диапазоне. После механической и химической очистки на подложку осаждали пленку диэлектрика методом электронно-лучевого испарения в вакууме ~10' Па. Скорость напыления составляла 10-15 нм/мин. Подогрев подложки не проводили, ее температура к окончанию процесса не превышала 100-150 °С. На поверхности диэлектрика методом термического испарения через трафарет формировали алюминиевые электроды толщиной 0,2-2 мкм и площадью до 2 мм2.

Исследуемые пленки были прозрачными и однородными, имели хорошую адгезию к электродам. Данные рентгеноструктурного анализа показали, что пленки были аморфными. Емкость и проводимость диэлектрических пленок измеряли на установке Е8-2частота. При функционировании ТП ЭЛК в силу малой величины рассеиваемой мощности не испытывают перегрева [4], поэтому первоначально измерения выполнялись при комнатной температуре. По значениям емкости определяли относительную диэлектрическую проницаемость, которая составила 18-19. Определенные на основании значений емкости и проводимости величины тангенса угла диэлектрических потерь составили 0,02-0,04. Исследования частотной и полевой зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь показали, что их значения практически не изменяются в интервале частот от 50 Гц до 20 кГц для электрического поля напряженностью до 3105 В/см.

Электропроводность тонких пленок твердого раствора оксидов ZrQz -У20з определяли с помощью измерения вольт-амперных характеристик при постоянном токе. Значения удельного сопротивления для слабых по-лей превышали 1013 Ом см. Электрическая прочность диэлектрических слоев, определенная при измерении на переменном (частотой 1кГц) и постоянном токах, составляла (3-6)10б В/см [3,4, 5].

Надежность работы ТП ЭЛИ зависит от температурной стабильности свойств диэлектрических пленок. В силу малой величины рассеиваемой мощности во время функционирования индикаторов не происходит значительного нагрева тонкопленочной структуры. В то же время может возникнуть необходимость эксплуатации устройств в условиях высоких температур окружающей среды. В связи с этим исследовано влияние температуры на изменение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленок, содержащих в своем составе 87% оксида циркония и 13% оксида иттрия. Измерения проводились на частоте 1 кГц с помощью моста Е8-2 при нагреве образцов в термостате в интервале температур от +20 до +200 °С. Исследования показали монотонное увеличение

относительной диэлектрической проницаемости (рис.1) с 18,5 до 23,5 и тангенса угла диэлектрических потерь (рис.2) с 0,02 до 0,24.

Рис.2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

Наблюдаемые при высоких температурах изменения параметров диэлектрических пленок отразятся на эксплуатационных характеристиках ТП ЭЛИ. Так, увеличение диэлектрической проницаемости приведет к снижению величин порогового, рабочего и пробивных напряжений, а рост диэлектрических потерь - к увеличению потребляемой мощности, уменьшению светоотдачи и надежности работы устройства.

Одним из важных параметров, характеризующих тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы, является коэффициент пропускания (прозрачности), значения которого зависят от материала, вводимых примесей и метода получения пленок. Измерение коэффициента пропускания исследуемых образцов выполнялись с помощью спектрофотометра СФ-26. Исследования спектральных характеристик диэлектрика на основе твердого раствора оксида циркония и оксида иттрия, полученного методом электроннолучевого испарения, показали уменьшение коэффициента пропускания в сине-голубой области спектра на 15-20% [6], что характерно также

и для спектральной зависимости чистой пленки оксида циркония. Толщины исследованных диэлектрических пленок составляли 0,25 мкм. Результаты исследований могут быть полезны при разработке ТП ЭЛИ, при определении электрических и температурных режимов работы. Проведенные измерения подтвердили возможность использования прозрачных электродов данного состава для изготовления ТП ЭЛИ и показали снижение коэффициента пропускания диэлектрика на основе Z1O2-Y2O3 в сине -голубой области спектра, что следует учитывать при создании полноцветных индикаторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самохвалов М. К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения. Ульяновск: УлГТУ, 1999. 117 с.

2.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Обеспечение надежности и качества тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов при их проектировании и производстве // Тез. докл. МНТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем». Пенза: 1ТГТУ, 1995. С. 172-173.

3.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Влияние условий получения сульфида цинка на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов // Лазерная техника и оптоэлектроника. 1993. №1-2. С.48-50.

4.Самохвалов М. К. Рассеяние тепла в тонкопленочных электролюминесцентных структурах // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21, №11. С.6-9.

5.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Получение и свойства диэлектрических и люминесцентных пленок электролюминесцентных композиций на основе сульфида цинка // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 1998. Т.З. С.64-68.

6.Бригаднов И. Ю., Голубева Т. А. Исследование прозрачности проводящих и диэлектрических тонких пленок электролюминесцентных структур // Труды междунар.конф. «Оптика полупроводников». Ульяновск: УлГУ, 2000. С.52.

Самохвалов Михаил Константинович, доктор физико- математических наук, профессор, окончил физический факультет Саратовского государственного университета. Заведующий кафедрой «Проектирование и технология электронных средств» УлГТУ. Имеет статьи и монографии по тонкопленочным электролюминесцентным индикаторным устройствам.

Бригаднов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, до-цент, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического

института. Доцент кафедры «Проектирование и технология электронных средств» УлГТУ. Имеет статьи и патенты по тонкопленочным электролюминесцентным индикаторам.

УДК 621.387; 681.335 В. Н. ШИВРИНСКИЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Проведены исследования газоразрядных преобразователей, которые показали возможность расширения диапазона и снижения погрешности измерения за счет изменения напряжения питания релаксационного генератора согласно изменению напряжения пробоя газового промежутка и рационального выбора межэлектродного расстояния. Предлагаемая схема преобразователя может найти применение в быстродействующих датчиках давления повышенной точности.

На современном этапе развития авиационной техники для целей пилотирования и навигации, автоматического управления летательными аппаратами возникла необходимость в разработке быстродействующих измерителей статического давления воздушного потока повышенной точности и с достаточно широким диапазоном измерения. Деформационные приборы, применяемые в настоящее время, уже не удовлетворяют возросшим требованиям.

Практический интерес представляют газоразрядные измерители давления. Такие приборы имеют высокое быстродействие, не боятся перегрузок, позволяют измерять давление в диапазоне, освоенном современными летательными аппаратами. Принцип их действия основан на зависимости напряжения пробоя газового промежутка от давления газа и расстояния между электродами. При этом погрешность измерения давления обусловлена погрешностью измерения напряжения пробоя. В физическом эксперименте разброс напряжения пробоя составляет 0,01-0,1%. В то же время погрешность газоразрядных измерителей значительно больше (2-3%, могут быть разрывы градуировочной кривой, достигающие 10% и более).

Газоразрядный преобразователь представляет из себя релаксационный генератор (рис.1), где в качестве нелинейного элемента используется сам газоразрядный промежуток Р.

Такие системы достаточно полно исследованы в работе [I], где показано, что разрывные колебания возникают, если «нагрузочная» прямая пересекает вольт-амперную характеристику разряда на падающем участке.