СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ОПТИЧЕСКИМ СЧИТЫВАНИЕМ

Полезная модель относится к микроэлектронике и микросенсорике и может быть использована при конструировании датчиков оптического излучения видимой области спектра и преобразователей солнечной энергии. Преимущественной областью использования является конструирование и технология производства запоминающих устройств (ЗУ) с оптическим считыванием информации.
Известно сегнетоэлектрическое устройство с оптическим считыванием, содержащее осветитель, контроллер, блок памяти, выполненный на основе сегнетоэлектрической пленки, и блок регистрации, оптически связанный с блоком памяти (см., например: JP 2018732, B42D 15/10, В41М 5/26, G06K 19/00, G06K 19/06, 1990; JP 2024852, B42D 15/10, G06K 19/00, G06K 19/06, G11B 7/24, G11B 9/02, G11B 11/00, B42D 15/10, G06K 19/00, G06K 19/06, G11B 7/24, G11B 9/00, 1990).
Для уменьшения энергопотребления сегнетоэлектрическая пленка выполнена из материала псевдоперовскитной структуры, модифицированной с образованием фазового перехода сегнетоэлектрик-антисегнетоэлектрик (US 5610853, С04 В 35/26, H01L 27/10, 1997; US 5555219, C01B 13/32, C01G 25/00, C04B 35/493, С04В 35/499, G11B 7/00; G11B 7/55; G11B 7/30; G11B 9/02; G11B 11/00, H01L 21/8246, H01L 21/8247, H01L 27/10, H01L 27/105, H01L 29/788, H01L 29/792, C01B 13/32, C01G 25/00, С04В 35/49, С04В 35/495, G11B 9/00, H01L 21/70, H01L 29/66, 1996).
Для обеспечения высокоскоростного оптоэлектронного считывания информации сегнетоэлектрический элемент выполнен в виде конденсатора, между пластинами которого расположена пленка цирконата-титаната свинца (Thakoor, "High speed optoelectronic response from the edges of lead zirconate-titanate or titanate thin films capacitors". Applied Physics Letters, Vol.63 No.23
pages 3233-3235, Dec.6, 1993). Этот принцип реализован в конструкции ближайшего аналога - сегнетоэлектрического элемента для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации, содержащим пленку на основе поляризованного сегнетоэлектрика - цирконата-титаната свинца (ЦТС) с двухсторонним электродным покрытием, выполненным полупрозрачным с внешней стороны пленки.
Наиболее близким к заявляемому является сегнетоэлектрическое устройство, содержащее лазерный осветитель, узел оптического фокусирования лазерного луча на текущую ячейку блока памяти, контроллер и последовательно соединенные узел поляризации, блок памяти и блок регистрации, оснащенные механизмом механического прецезионного сканирования. При этом блок памяти включает расположенную на подложке пленку на основе поляризованного сегнетоэлектрика - цирконата-титаната свинца с двухсторонним электродным покрытием, полупрозрачным с внешней стороны пленки, а блок регистрации представляет собой амплитудный детектор, вход которого связан через коммутатор с выходом блока памяти (US 6108111, G11С 11/22, Н01G 7/06, 2000).
Однако выходной сигнал при освещении сегнетоэлектрических элементов памяти известных устройств видимой областью спектра является импульсным, что снижает точность и надежность измерений. Кроме того, данные устройства являются сложными в отношении конструкторского оформления и эксплуатации.
Техническая задача предлагаемого устройства состоит в повышении точности и надежности его работы, а также упрощении его конструкции.
Решение указанной технической задачи состоит в том, в известное сегнетоэлектрическое устройство с оптическим считыванием, содержащее осветитель, контроллер и последовательно соединенные узел поляризации, блок памяти и блок регистрации, в котором блок памяти включает участки расположенной на подложке пленки на основе поляризованного сегнетоэлектрика
- цирконата-титаната свинца с двухсторонним электродным покрытием, полупрозрачным с внешней стороны пленки, вносятся следующие изменения:
1) осветитель установлен с возможностью освещения всей рабочей поверхности сегнетоэлектрической пленки блока памяти;
2) пленка цирконата-титаната свинца блока памяти выполнена поликристаллической в матрице оксида свинца;
3) управляющий выход контроллера соединен с управляющими входами осветителя и блока памяти;
4) выход данных контроллера связан с входом узла поляризации.
Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом основана на том, что генерируемые под действием излучения видимого диапазона в полупроводниковой матрице носители заряда разделяются полем поляризации сегнетоэлектрических кристаллитов. Вследствие этого в короткозамкнутой цепи конденсатора с поликристаллической пленкой ЦТС протекает стационарный фототок в течение всего времени освещения, причем статическая характеристика фототока зависит от направления поляризации сегнетоэлектрика и интенсивности потока светового облучения. Статический режим считывания дает возможность упростить оптическую и электрическую схемы целевого изделия.
На фиг.1 приведена схема участка блока памяти, на фиг.2 приведена блок-схема целевого изделия. В табл.1 и 2 указаны технические характеристики сегнетоэлектрического элемента участка блока памяти к примерам 1 и 2 соответственно.
Блок памяти состоит из сегнетоэлектрических элементов (фиг.1), содержащих подложку 1, на которую нанесена пленка 2 поликристаллического поляризованного сегнетоэлектрика - ЦТС, выполненная в матрице РbО. На фиг.1 кристаллы ЦТС обозначены поз.2, а заполнение между ними (матрица РbО) - поз.2б. Пленка 2 снабжена двухсторонним электродным покрытием (поз.3 и 4), причем внешнее покрытие 4, расположенное со стороны принимаемого светового потока, выполнено полупрозрачным. Во внешней электрической
цепи установлен наноамперметр 5 (дублирующий прибор, используемый для снятия технических характеристик изготовленного образца), подключенный к электродным покрытиям 3 и 4 с помощью выводов 6 и 7 соответственно для измерения тока в режиме короткого замыкания.
При освещении сегнетоэлектрического элемента с длиной волны в видимой области спектра, направленном со стороны электродного покрытия 4, возникает фототок, фиксируемый прибором 5. При этом значение и знак фототока изменяются в зависимости от степени и направления остаточной поляризации ЦТС соответственно. Это и обеспечивает возможность не только оптического считывания информации при использовании целевого изделия в составе запоминающих устройств, но и измерение освещенности.
Описанный сегнетоэлектрический элемент может быть изготовлен следующим образом:
x
1-x
3
x
1-x
3
ПРИМЕР 1. На кремниевую подложку 1 наносят 150-нм электродное покрытие 3 ионо-плазменным распылением платины. Далее наносят поликристаллическую пленку ЦТС высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZrTiO. Для разных вариантов целевого изделия данную операцию выполняют согласно описанию изобретения US 6340621, С23С 14/08, H01L 21/316, 21/02, 2002 высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZrTiO со сверхстехиометрическим (1,15±0,05) содержанием Рb при температуре 350°С в течение 1 ч с последующим отжигом при 620°С в течение 30 мин, а также способом, предусматривающим низкотемпературное распыление мишени при 110÷150°С и прочих равных условиях.
По окончании операции отжига на внешнюю поверхность пленки ЦТС наносят полупрозрачное платиновое электродное покрытие 4 толщиной 20 нм с помощью установки ионо-плазменного распыления. К электродным покрытиям 3 и 4 присоединяют выводы 6 и 7 для подключения к внешней электрической цепи.
Для поляризации сегнетоэлектриков к выводам 6 и 7 прикладывают постоянное напряжение 3 В.
x
1-x
3
Результаты 4-кратных испытаний полученных сегнетоэлектрических элементов в режиме короткого замыкания при освещении покрытия 4 галогенной лампой мощностью 20 Вт с расстояния 20 см и различной направленности остаточной поляризации ЦТС приведены в табл.1. Как видно из таблицы, получение поликристаллической пленки ЦТС в матрице PbО с использованием данной технологии возможно только в режиме низкотемпературного (110÷150°С) распыления мишени. При высокотемпературном распылении мишени происходит интенсивное испарение Pb, вследствие чего матрица PbО не образуется и целевое изделие оказывается нечувствительным к световому воздействию. Оптимальный вариант сегнетоэлектрического элемента достигается при использовании пленки ЦТС, полученной высокочастотным магнетронным распылением мишени из PbZrTiO со сверхстехиометрическим содержанием Pb при температуре подложки 130°С. В этом случае наблюдается среднее значение фототока, равное 7,8 нА. В темновом режиме фототок отсутствует.
ПРИМЕР 2. На кремниевую подложку 1 наносят электродное покрытие 3 как в примере 1. Далее для разных вариантов сегнетоэлектрических элементов наносят пленку ЦТС химическим осаждением из паров металлоорганических соединений с последующим отжигом. Основные процессы данной операции осуществляют согласно описанию патента KR 100438809, G11C 11/22, H01L 21/20, 41/16, 2004 при избыточном соотношении Pb/(Zr+Ti), равном 1,08, как это указано в данном патенте, а также при соотношении Pb/(Zr+Ti)=0,95±0,025 в течение 1 ч при температуре подложки 545°С с последующим отжигом в течение 1 мин при 600°С. Возможно, что указанные значения режимных параметров технологии являются уникальными, что, по-видимому, обеспечивает получение требуемой поликристаллической структуры пленки ЦТС в матрице PbО, тогда как задачей способа по патентному описанию KR 100438809 является получение монокристаллической пленки ЦТС в отсутствии прослойки PbО. При этом имеет место парадоксальный факт, что предлагаемый режим, где, как указано выше, соотношение свинца к
цирконию и титану меньше единицы, позволяет получить пленку ЦТС в матрице PbО, тогда как в прототипном способе даже избытке свинца в предшественнике пленку ЦТС получают без прослойки PbО. Причина этого явления неизвестна.
Остальные операции выполняют как в примере 1.
Технические характеристики полученных сегнетоэлектрических элементов указаны в табл.2. Как видно из таблицы, использование поликристаллической пленки ЦТС в матрице PbО, полученной описанным в данном примере способом, обеспечивает изготовление сегнетоэлектрических элементов, обладающих фоточувствительностью в видимой части спектра, что подтверждается значением фототока от 6,6 до 7,2 нА при освещении покрытия 4 галогенной лампой мощностью 20 Вт с расстояния 20 см. В темновом режиме фототок отсутствует.
Блок-схема предлагаемого сегнетоэлектрического устройства с оптическим считыванием (фиг.2) содержит осветитель 8, контроллер 9 и последовательно соединенные узел 10 поляризации, блок 11 памяти и блок 12 регистрации. Блок 11 памяти включает участки сегнетоэлектрических элементов, устройство которых описано выше и приведено на фиг.1. Осветитель 8 установлен с возможностью освещения всей рабочей поверхности сегнетоэлектрической пленки блока 11 памяти, то есть он может освещать все сегнетоэлектрические элементы блока 11 одновременно. Управляющий выход контроллера 9 соединен с управляющими входами осветителя 8 и блока 11 памяти. Выход данных контроллера 9 связан с входом узла 10 поляризации.
В качестве осветителя 8 может использоваться любое осветительное устройство видимой области спектра (лампа накаливания, светодиод, естественное освещение и т.д.); контроллер 9 может быть выполнен на базе программируемой логической интегральной микросхемы Xilinx Sportan 3 и т.п.; узел 10 поляризации может представлять собой блок преобразователей логического уровня 74НС574 (в соответствии с требуемой разрядностью); блок 11 памяти представляет собой матрицу сегнетоэлектрических элементов, выполненных
согласно фиг.1; в качестве блока 12 регистрации может использоваться цифровое табло, компьютер и др.
Сегнетоэлектрическое устройство работает следующим образом.
Контроллер 9 по информационному выходу выдает на вход узла 10 команды требуемой поляризации для каждого из сегнетоэлектрических элементов блока 11 памяти. Эти команды, преобразованные узлом 10 в требуемое напряжение поляризации, будут сохранены сегнетоэлектрическими элементами блока 11 памяти в режиме записи, включенном по сигналу управления, поданному на блок 10 с управляющего выхода контроллера 9. В режиме оптического считывания сигнал управляющего выхода контроллера 9, поступив на вход осветителя 8, включит последний, осветив тем самым все сегнетоэлектрические элементы блока 11 памяти, который той же командой управления контроллера 9 переключится в режим считывания. При этом осветитель 8 обеспечивает возможность считывания информации, записанной в матрице сегнетоэлектрических элементов блока 11 памяти, а блок 12 зарегистрирует считанные значения на выходе сегнетоэлектрических элементов.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности и надежности работы целевого изделия, поскольку сигнал на его выходе, являясь статическим, не зависит от длительности измерений и погрешностей, вносимых в амплитудное значение, как это имело место при дифференциальном отклике на освещение изделия-прототипа.
Техническим результатом, производным от достигнутого, является расширение диапазона использования целевого изделия, поскольку оно в ключевом режиме может использоваться для оптического считывания двоичной информации в схемах запоминающих устройств, где входной сигнал управляет направлением поляризации ЦТС, а в непрерывном режиме - для измерения освещенности. Достигнуто также упрощение конструкции за счет изъятия узла оптического фокусирования, механизма механического прецезионного
сканирования и амплитудного детектора, что имеет следствием обеспечение удобства эксплуатации предлагаемого устройства.
Таблица 1Технические характеристики целевых изделий к примеру 1
Температура подложки при нанесении пленки ЦТС, °С
Микроструктура пленки ЦТС
Остаточная поляризация пленки ЦТС, мКл/см<sup>2</sup>
Фототок, нА
350 (US 6340621)
Поликристаллическая без прослойки PbО
41
0
250
-"-
37
0
150
Поликристаллическая в матрице PbО
35
2,3
130
-"-
33
7,8
110
-"-
32
4,5
Таблица 2Технические характеристики целевых изделий к примеру 2
Соотношение компонентов Pb/(Zr+Ti) в газе-предшественнике
Микроструктура пленки ЦТС
Остаточная поляризация пленки ЦТС, мКл/см<sup>2</sup>
Фототок, нА
>1 (KR100438809)
Моноблочная без прослоек PbО
Данных нет
0
0,925
Поликристаллическая в матрице PbО
32
7,2
0,950
-"-
28
7,0
0,975
-"-
25
6,3